一
发展历史:
氮化硅是一百多年前就已经发现的氮和硅的化合物，最早在德国合成，20世纪50年代才开始有应用。作为工程材料，到60年代受到重视。氮化硅是人工合成的物质，自然界尚未发现有天然存在的氮化硅。
早在19世纪50年代，人们已经在实验室用单质硅与氨气或氮气直接合成了氮化硅：3Si3N4(s)+4NH3(s)→Si3N4(s)+6H2(g)
3Si(s)+2N2(g)→Si3N4(s)
用氨气硅（Si（NH2）4）热分解也得到Si3N4：3Si(NH2)4→Si3N4+8NH3。可当时，氮化硅并未引起重视。
氮化硅最早于1857年由Deville和Wohler提出，1910年Weiss和Englhart报道，金属硅在氮气中加热到1320℃时其表面形成蓝白色的膜层。氮化硅的化学式被认为是Si3N4，但有些学者尤其是德国学者对其化学式持怀疑态度，直到40年以后才得到认同。
第二次世界大战结束后，科学技术迅速发展，原子能、火箭、燃气轮机等技术领域对材料提出了更高的要求，迫使人们去寻找比耐热合金更能承受高温，比普通更能抵御化学腐蚀的材料。20世纪50年代初，在研究结合剂的新配方时，开始启用了Si3N4。Si3N4的出色表现，由此激起了人们研究氮化硅的热情和兴趣。在耐火材料领域中，氮化硅逐渐被用作碳化硅以及其他材料的结合剂。同时，由于氮化硅具有良好的热稳定性，被用作热电偶保护管、熔炼金属的坩埚和火箭的喷嘴。这类材料是通过硅粉坯体氮化而制得，后来这种方法称之为反应烧结氮化硅。
1955年，英国的一些研究机构和大学率先开始对Si3N4进行系统研究，深入认识其结构、性能，探索烧结方法，开拓应用领域。
1960年Parr、Martin和May发表了一篇有关氮化硅的结构和性能的综合评论，概括了制备氮化硅的技术，这些技术成为以后十年间制备的主要工艺。1961年Deeley等人在已合成的氮化硅粉中加入各种烧结剂进行热压，成功地使氮化硅的密度大大提高。60年代英国用反应烧结和热压法也成功的制备了性能较好的氮化硅陶瓷材料。1966年，反应烧结氮化硅开始纳入工业生产，氮化硅陶瓷制品进入了商品市场，最早商品化的热压氮化硅是以MgO作烧结添加剂的。
70年代初，英国又发明了塞隆陶瓷，这一发明开创了以氮化硅为基的复合陶瓷的新路子。1972年，英国Jack和日本小山阳一在研究中几乎同时发现了β氮化硅中的Si和N被Al和O取代，其晶胞常数随氧化铝的含量增高而增加，固溶后的β氮化硅被称为β'塞隆。1978年，Hampshire等从Si3N4-AlN-MxOy组分中制得了具有α氮化硅晶胞的纯α'塞隆。
70年代后氮化硅制备新工艺不断呈现，此前仅限于反应烧结和热压烧结两种工艺。70年代中期，为克服热压烧结生产上的局限性，又发展了常压烧结氮化硅的新工艺。1977年瑞典ASEA公司最早采用热等静压工艺制备氮化硅。1979年意大利Fiat汽车公司中心实验室同英国陶瓷协会合作，首先采用重烧结法制备出理论密度达98%的氮化硅。1980年，C.Greskovich在普通热等静压基础上最早采用无包套热等静压来制备加入SiBeN2的氮化硅。
从60年代到70年代，氮化硅陶瓷的研究开发工作相继在世界各地开展起来。美国、前苏联、联邦德国、瑞典、日本、澳大利亚、意大利、印度等国参与了氮化硅的研究工作。
80年代初，日本出现了氮化硅质全陶瓷发动机，这在科学技术上成为举世瞩目的大事。80年代以后，氮化硅制品开始向产业化、实用化迈进。
近几年，人们对气压烧结进行了大量的研究，获得了很大的进展。气压烧结氮化硅在1-10MPa气压下，2000℃左右进行，高的氮气压力抑制了氮化硅的高温分解，由于高温烧结中添加少量助剂，可以促进氮化硅晶粒生长，获得密度大于99%的柱状晶粒的高韧性陶瓷。可直接制取接近最终形状的复杂制品，从而降低生产成本和加工费用。
二
氮化硅的基本性能
氮化硅的详细性能指标如下：
1、耐热，在常压下，Si3N4没有熔点，于1870℃左右直接分解，可耐氧化到1400℃，实际使用达1200℃(超过1200℃力学强度会下降)。
2、热膨胀系数小（2.8-3.2）×10-6/℃，导热系数高，抗热震，从室温到1000℃热冲击不会开裂。
3、摩擦系数小（0.1），有自润滑性，（加油的金属表面摩擦系数0.1-0.2）。
4、化学性质稳定，耐腐蚀，除氢氟酸外不与其他其他无机酸反应，800℃干燥气氛下不与氧发生反应，超过800℃，开始在在表面生成氧化硅膜，随着温度升高氧化硅膜逐渐变稳定，1000℃左右可与氧生成致密氧化硅膜。可保持至1400℃基本稳定。
5、氮化硅硬度高，耐磨损，莫氏硬度仅次于金刚石、立方氮化硼、碳化硼、碳化硅，抗机械冲击。
6、氮化硅是共价键化合物，很难致密，有时需外加助剂，密度约为3.4（不同成型方法致密度不一样，热压成型致密度较高，钢的密度约为7.85，钛合金的密度约为4.5左右，单位均为g/cm3）。
7、脆性大，可采用氮化硅纤维增韧，使其高温强度稳定。
三
氮化硅陶瓷的应用领域
1、航天军工领域
航空制造是制造业中高新技术最集中的领域，属于先进制造技术，是新材料、新工艺和新技术的佼佼者。以飞机的涡轮发动机为例，阐述航空制造中氮化硅的应用。
以飞机的涡轮喷气发动机为例，压气机零部件温度在650℃以下，目前主要采用钛合金、铝合金及耐热钢。燃烧室燃烧区温度高达1800-2000℃，引入气流冷却后，燃烧室壁温仍然在900℃以上，常用高温合金（镍基及钴基合金）板材制造，为防止燃气冲刷、热腐蚀和隔热，常喷涂防护层，现采用弥散强化合金无需涂层可制备耐1200℃的燃烧室。
机构陶瓷氮化硅耐热，可在1400℃时仍然有高的强度、刚度（但超过1200℃时力学强度会下降），但比较脆，使用连续纤维增强的增强陶瓷可应用于涡轮部件，特别是小发动机的陶瓷叶片，涡轮外环和空气轴承。此外，氮化硅陶瓷比密度小，密度仅为钢轴承的41%，可有效降低飞机发动机重量，减低油耗。
2、机械工程领域
氮化硅陶瓷摩擦系数小，有自润滑性，强度高，热膨胀系数小，体积受温度变化小，有效防止球/密封环卡死，可制成轴承滚珠及机械密封环。
氮化硅强度大，可用于轴承制造，可承受严酷的工作环境，工作寿命也高于一般轴承，但制作成本也比较高。
传统的阀门是金属材料，由于受金属材料自身限制，金属的腐蚀破坏对阀门耐磨性、可靠性、使用寿命具有相当大的影响；一些应用于石油工业的金属阀门易受到化学腐蚀，失去工作能力。而氮化硅陶瓷优良的耐腐蚀性、耐磨性、抗高温性，能够胜任这一领域。
氮化硅具有耐磨，耐热性，用作蒸汽喷嘴，在800℃的锅炉工作半年后无明显损坏。其他耐热蚀合金喷嘴在同样条件下只能使用1-2个月。
另外氮化硅材料制作的粉碎刀片在食品加工也广泛应用，可最大限度的减少杂质污染食品，刀片耐用性也比较好。
3、超细研磨领域
氮化硅硬度高，硬度仅次于金刚石，立方氮化硼。因其消耗非常低，降低了研磨介质的磨损及对研磨材料的污染，有利于获取更高纯度的超细粉体。
据说氮化硅24小时的磨耗只有百万分之一，这种说法虽然有待考核，但据小编在一线人员处了解到的信息，氮化硅的磨损的确是惊人的低的。
4、柴油机电热塞（预热塞）
在严寒时期柴油发动机冷却时，电热塞为提升启动性能提供热能。同时，要求电热塞具有快速升温和持久保持高温状态的特性。
氮化硅陶瓷电热塞升温至1000℃时间（2s）比金属电热塞(3s)快，氮化硅工作温度（约1200℃）比金属电热塞工作温度（约1000℃）高。
除此之外氮化硅还可以做发热体，广泛应用于直热及贮水式、节能快热式电热水器，快热式液体加热、电暖、冷热饮机、空调加热器，直热水龙头、恒温器、蒸气发生器等家用、工业、商务用电热器行业。
5、高性能机床切削刀具
在现代化加工过程中，提高加工效率的最有效方法是采用高速切削加工技术。氮化硅刀具特别适合于铸铁、高温合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削耐用度比刀具高几倍至十几倍氮化硅具有非常高的耐磨性，它比硬质合金有更好的化学稳定性，可在高速条件下切削加工并持续较长时间，比用硬质合金刀具平均提高效率3倍以上。
它可以实现以车代磨、以铣代抛的高效“硬加工技术”及“干切削技术”，提高零件加工表面质量。实现干式切削，对控制环境污染和降低制造成本有广阔的应用前景。
陶瓷刀具材料是很有前景的高速切削刀具材料，在生产中有广泛的应用。在德国约70％铸件加工的工序是由陶瓷刀具完成的，日本陶瓷刀具的年消耗量占刀具总量的8％左右。因此，我国氮化硅陶瓷刀具发展空间很大。
氮化硅陶瓷材料作为一种优异的高温工程材料，最能发挥优势的是其在高温领域的应用。未来的发展方向在：（1）成型和烧结工艺的开发，其中最重要的突破可能出现在助剂。（2）研制氮化硅、碳化硅复合化材料以便在汽车发动机上的应用。
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