氮化硅陶瓷性能优异 应用价值高

　　摘要：氮化硅陶瓷因其优良的性质，得到了来自各个领域的青睐。本文重点分析了氮化硅陶瓷优良的性质、在航空航天领域、轴承制造领域和基板领域的巨大市场。

　　氮化硅材料并不是天然产物，是科学家们通过实验手段合成，早在140年前已经被发现。氮化硅在当时并没有得到人们的重视，仅仅作为一种稳定，难以溶解的化合物留在人们的记忆中。直到1955年，科学家们才开始重视氮化硅，七十年代中期，才真正制得了高质量、低成本的氮化硅陶瓷产品。

　　氮化硅陶瓷性能优异 国内市场缺口巨大

　　氮化硅的分子式是Si₃N₄，属于共价键化合物，晶体结构成六方晶型，有α、β、γ这3种晶型结构，这三种晶型结构在高温烧结的时候能够相互转换，并且这种转换是不可逆的。从表中可以看出，氮化硅陶瓷机械强度高，能与合金钢相比;表面摩擦系数小，耐磨损、弹性模量大，耐高温;热膨胀系数小，导热系数大，抗震性好;密度低，比重小;耐腐蚀，抗氧化能力强，电绝缘性好。氮化硅陶瓷这一系列优良的性质，使其在航空航天领域、轴承制造领域、半导体工业等都得到了广泛的应用。

　　高碳铬钢目前作为制造轴承的主流材料，氮化硅陶瓷作为其替代材料，国内对其需求量每年大概在6万吨以上。作为涡轮叶片在飞机发动机中应用的需求量每年甚至超过了10万吨。除此之外，氮化硅陶瓷作为耐火材料、发动机外壳、基板材料、刀具等产品的原料，年需求量大约为6万吨。目前，国内氮化硅陶瓷的年产量大约在10万吨左右，而国内的需求量大概在20万吨以上。从市场现状来看，供应量远远小于产量，供求关系极度不平衡，存在很大的供应缺口。主要原因是国内的生产成本高，生产技术还欠缺。

　　表1 氮化硅性能参数

　　(数据来源：根据公开资料整理)

　　主要应用领域分析

　　(1)氮化硅陶瓷在轴承制造领域的市场潜力

　　滚动疲劳寿命是衡量轴承材料性能最主要的指标。近些年来，随着科技的进步，轴承的使用环境越来越多样化，使用条件也越来越苛刻，对轴承的性能和结构要求越来越高，对于制造轴承的材料提出了更高的要求。国内轴承行业居世界第四位，轴承生产企业接近2000家，其中年销售额超过500万的企业在900家以上，2017年轴承的销售规模达到2751.73亿元，预计2023年轴承的市场规模将达到2023亿元。我国目前轴承制造的主要材料是高碳铬钢(GCr15)。高碳铬钢在制造轴承的实际生产过程中，由于受工件大小、装炉方法、装炉数量以及退火前原始组织不均匀性等因素，会导致产品批量报废。

　　由下表可以看出，氮化硅陶瓷和高碳铬钢的性能对比有如下特点：1)氮化硅陶瓷相比于高碳铬钢，更加的耐高温耐腐蚀，化学性质更稳定，比高碳铬钢更适合在腐蚀性强、温度高和速度快的极端环境下工作;2)氮化硅陶瓷的密度是高碳铬钢密度的41%。做轴承时，滚动体旋转时产生的离心力小，能够防止升温，利于高速旋转，并且寿命较长;3)线膨胀系数低，氮化硅陶瓷的线膨胀系数大约是高碳铬钢的25.6%。较低的线膨胀系数能使轴承的工作速率范围更宽;4)弹性模量高，氮化硅陶瓷的弹性模量是高碳铬钢的1.5倍。高的弹性模量意味着氮化硅能够承受更大的应力。有实验表明，氮化硅陶瓷轴承和同规格的高碳铬钢轴承相比，使用寿命最低提高了3倍，温升最低能够降低35%。在中期内，氮化硅替代高碳铬钢制造轴承势在必行。

　　表2 氮化硅陶瓷和高碳铬钢轴承的性能比较

　　(资料来源：中国知网)

　　(2)氮化硅陶瓷在航空航天领域的市场潜力

　　涡轮叶片是航空发动机最重要的组成部分之一，制造涡轮叶片的材料是影响发动机性能的重要材料。发动机涡轮设计的整体要求是尺寸小、重量轻。我国涡轮叶片经过四代发展，目前使用最主要的材料是镍基合金，镍基合金制造的涡轮叶片使用温度高达1200℃，使用寿命大于150个小时。然而，大飞机在运转时，发动机的温度高达1600℃。目前大飞机的涡轮叶片，为了防止燃气冲刷，常喷涂防护层。通过热压法烧结的氮化硅陶瓷对温度的耐受高达1800℃，并且氮化硅陶瓷的密度比镍基合金的密度更低，是作为大飞机涡轮叶片良好制造材料。我国计划到2020年，用氮化硅陶瓷作为镍基材料的替代材料制造飞机涡轮叶片。

　　表3 各代发动机涡轮叶片选用材料发展

　　(资料来源：中国知网)

　　(3)氮化硅在陶瓷散热半导体中的市场潜力

　　从上个世纪90年代开始，信息技术飞速发展，同时带动着半导体工业和微电子技术的迅猛发展。以集成电路为例，集成电路上的排线密度越来越多，集成电路越来越密集，导致排线的基板出现了难以散热的问题。电子封装基板如果不能及时将基板上的热量散去，基板上不仅会产生裂纹，而且会导致电路损坏。目前，市场上的基板材料主要是Al₂O₃和AIN两种。这两种基板材料在240K-500K的温度下，经历了500次的热循环实验之后会产生裂纹，并且在经历500次的热循环之后，由于基板不能及时将热量散发出去，负载在基板上的电路会脱落，这并不能满足电动汽车3000次热循环后仍能正常使用的要求。

　　实验证明，氮化硅的热导率高达200-320W•m-¹•K^-1左右，其抗弯强度达到了460MPa，被证明是极具潜力的高速电路和大功率器件的基板，预计中期内会替代这两种材料。

　　结语

　　氮化硅陶瓷因性能优异，在各个领域得到了应用。目前国内的产量远远低于其市场需求量，缺口很大。氮化硅陶瓷在飞机涡轮领域的应用相比于合金，更加耐高温，密度更低，我国计划在2020年将飞机涡轮叶片将全部由氮化硅陶瓷替代。氮化硅陶瓷作为轴承的制造材料，优势更加明显，有望在2023年庞大的轴承市场取得一席之地。信息科技的飞速发展离不开材料的发展，目前使用的两种基材的性能不佳，而且并不能满足电动汽车领域对基材高性能的要求，氮化硅陶瓷有望替代。