氮化硅陶瓷 (Si3N4) 特性和應用

    氮化硅具有比大多數金屬更好的高溫能力，同時保持高強度和抗蠕變性以及抗氧化性。此外，與大多數陶瓷材料相比，其低熱膨脹系數提供了良好的抗熱震性。

    生產：純氮化硅難以生產為完全致密的材料。這種共價結合的材料不容易燒結，也不能加熱到 1850oC 以上，因為它會分解成硅和氮。致密的氮化硅只能使用通過間接方法提供鍵合的方法來制造，例如添加少量化學物質以幫助致密化。這些化學品被稱為燒結助劑，通常會引起一定程度的液相燒結。

    氮化硅的種類
    由于材料特性在很大程度上取決于制造方法，因此不能將氮化硅視為單一材料。

    氮化硅的三種主要類型是：

反應鍵合氮化硅 (RBSN)
熱壓氮化硅 (HPSN)
燒結氮化硅 (SSN)

    反應鍵合氮化硅是將壓實的硅粉直接氮化制成，由于難以保證完全反應，因此很難達到高組分密度。通常密度范圍為 2300 - 2700kg.m-3，而熱壓和燒結氮化硅的密度為 3200kg.m-3。較高的密度使 HPSN 和 SSN 材料具有更好的物理特性，這意味著它們可用于要求更高的應用。氮化僅產生很小的體積變化，這意味著 RBSN 組件在制造后不需要加工，并且可以在單個工藝階段生產復雜的近凈形狀。

     氮化硅陶瓷的應用利用了氮化硅的以下特性：

低密度
高溫強度
優越的抗熱震性
優異的耐磨性
良好的斷裂韌性
機械疲勞和抗蠕變性
良好的抗氧化性

    應用
該材料目前用于利基市場應用，例如往復式發動機部件和渦輪增壓器、軸承、金屬切割和成型工具以及熱金屬處理。

往復式發動機組件
氮化硅部件的最大市場是用于燃燒部件和磨損部件的往復式（柴油和火花點火）發動機。它們的發展是一項比想象中更加困難和復雜的任務。成本因素和大規模生產復雜陶瓷元件的嚴重技術問題限制了增長，但該材料也遇到了設計保守主義和對陶瓷元件可靠性的擔憂。 

    小型致密燒結氮化硅部件用于汽車和卡車發動機，用于應力和溫度相對較低且故障后果不是災難性的應用。組件示例包括：

    柴油機：用于更快啟動的電熱塞、預燃室（渦流室）可實現更低排放、更快啟動和更低噪音、渦輪增壓器（直徑約 10 厘米）可減少發動機滯后和排放。

    火花點火發動機：降低磨損的搖臂墊、渦輪增壓器（直徑約 5 厘米）可降低慣性和減少發動機滯后排氣控制閥以增加加速度。

    高純氮化硅粉體的應用及優勢
    大多數這些組件是在日本和美國制造的。作為生產水平的例子，估計每年生產 300,000 個燒結氮化硅渦輪增壓器。在美國，減排推動了陶瓷部件的發展，部件主要用于中型和重型發動機。在日本，提高性能一直是主要驅動因素，這些部件用于輕型發動機。

    現在，開發工作的重點是在需要低質量或增加耐磨性的應用中謹慎引入更多組件，例如排氣門和氣門彈簧。 

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