氮化硅目前的发展方向

自20世纪中期反应烧结氮化硅（Si3N4）陶瓷问世以来，它便以其优异的机械和热性能而闻名，并且当时已制造出各种原型部件。此外，在此之前，人们还开发了以反应烧结氮化硅为粘结剂的碳化硅（SiC）基耐热砖，并将其应用于耐火材料和其他领域。     

氮化硅作为工程陶瓷的全面应用始于1981年，最初应用于发动机火花塞。此后，其应用范围不断扩大，包括1982年的高温室、1985年的涡轮增压器转子和1989年的喷油器连杆。尤其值得一提的是，涡轮增压器转子的制造，利用陶瓷这种脆性材料制造出形状复杂的部件（例如转子叶片），对可靠性要求极高，因此被认为是对材料技术发展做出重大贡献的典范。     

喷油器连杆作为滑动部件，延长了公路柴油发动机的使用寿命，并显著降低了排放。耐磨应用正是氮化硅（Si3N4）陶瓷的优势所在。自1984年首次应用于轴承以来，氮化硅的应用范围不断扩大，涵盖了切削刀具、磨削夹具（摇臂垫）、挺杆、制动部件等诸多领域。尤其值得一提的是，氮化硅在轴承滚珠领域的应用至关重要，使其能够胜任钢制轴承无法企及的应用，例如高速旋转、耐腐蚀和高温环境。2009年，国际标准化组织（ISO）制定了该材料的标准。此外，氮化硅在熔融铝液时的应用也备受关注，其应用范围正在不断扩展，尤其是在汽车领域。基于这些应用的发展，氮化硅还被用于各种相关部件，包括各种工业机械零件、研磨介质、各种加热器、耐热夹具和烘烤材料。     

每种物质都有其独特的功能，它们以晶体、粉末、烧结体、薄膜等形式被制成新型功能材料，并应用于合适的领域。近年来，氮化硅（Si3N4）不仅作为一种结构材料得到应用，其多样化的功能也引起了人们的关注，并涌现出新的用途。氮化硅的高导热性、电绝缘性和透波特性已被用于开发新型功能材料，例如半导体器件基板、氮化物荧光粉和高温透波材料，预计未来在医疗植入物等方面还将有更多应用前景。

（1）高导热氮化硅

    众所周知，氮化铝（AlN）是一种常用的高导热陶瓷，但由于其机械性能不足，高导热氮化硅（Si3N4）引起了人们的关注。由于β-Si3N4的晶体结构比α-Si3N4的晶体结构更简单，因此沿a轴和c轴方向计算得到的α-Si3N4和β-Si3N4的热导率分别为105/225 W/mK和170/450 W/mK，因此得知β-Si3N4具有更高的热导率。目前，国内市售散热基板的热导率值较低，约为50–100 W/mK，但这主要是由于固溶体杂质和Si3N4晶粒内部位错造成的结构无序所致。由于赛隆（Sialon）是一种置换型固溶体，其热导率极低，因此烧结助剂的选择至关重要。日本多家企业在2015年以前基于利用MgO、Y₂O₃、MgSiN₂或稀土氧化物，单独或与β-Si₃N₄晶粒取向和工艺创新相结合，已开发出导热系数150 W/mK以上的导热基板。

(2) 氮化物荧光粉

   以氮化物和氧氮化物晶体为基质的荧光粉相比氧化物荧光粉具有诸多优势，例如：由于氮参与键合，其耐久性更佳；可见光激发；以及成分选择范围更广。因此，通过以这些晶体为基质并掺杂光学活性稀土离子，已开发出黄色赛隆荧光粉、红色CaAlSiN₃荧光粉和绿色β-赛隆荧光粉。所有这些荧光粉均在450 nm或500 nm波长处发光。其特点是能被正面和背面光高效激发，因此适用于以蓝色LED为激发光源的应用。因此，它有望成为一种新型荧光粉，并且一些应用已经进入实际应用阶段。

（3）高温透波材料

高温透波材料是在恶劣使用环境条件下保护飞行器的通讯、遥测、制导、引爆等系统正常工作的一种多功能电介质材料，广泛应用于运载火箭、飞船、导弹及返回式卫星等再入飞行器。高温透波部件按其结构形式主要分为天线窗和天线罩两大类，用于保护雷达能够在高速飞行中正常工作，是发出和接收信号的通道。     

目前石英、玻纤复合材料在天线罩/窗的研制和使用已有几十年历史，构件质量稳定，已在多种飞行器上广泛应用。随着飞行器马赫数的增大，未来高超声速飞行器对高耐烧蚀天线罩的技术要求大幅提高。世界各国的国防企业和研究机构已对氮化硅材质的高温透波材料进行了深入研究和小批量研制及测试。未来若能继续提高原料纯度减小金属和碳杂质含量，提高制造和加工的可行性，并且进一步降低制造成本，氮化硅在该领域还将有广阔应用。