关于氮化硅（Si₃N₄）陶瓷制品在烧结过程中出现的 "烧不熟" 现象的原因

氮化硅（Si₃N₄）陶瓷制品在烧结过程中出现的 "烧不熟" 现象，是陶瓷烧结工艺领域常见且亟待解决的技术难题。该行业术语特指制品经烧结后，未能达到预设的致密度、力学强度及综合使用性能，其典型表现为：坯体内部孔隙率偏高、结构疏松；常温及高温力学强度远低于设计标准；外观颜色异常（多呈现发黑、发灰状态，而非致密氮化硅陶瓷应有的灰白或浅灰色调）；烧结收缩率未达工艺要求，尺寸精度难以控制；严重时还会伴随开裂、鼓泡、翘曲变形等不可逆缺陷。

造成“烧不熟”的原因非常复杂，通常是多种因素共同作用的结果。主要原因可以归纳为以下几个关键方面：

粉体质量不达标

原料纯度不足：坯体中 Ca、Fe、Al 等金属离子杂质含量超标时，高温烧结阶段易与氮化硅粉体表面的 SiO₂等次生相发生反应，生成低熔点玻璃相。该玻璃相一方面会使制品在非设计温度区间发生过度软化与变形，破坏尺寸稳定性；另一方面会阻碍氮化硅晶粒的扩散传质与致密化重排，最终导致烧结体致密度与力学性能劣化。

氧含量偏高：Si₃N₄粉体表面具有较高的化学活性，易在储存或预处理阶段发生氧化反应，形成 SiO₂包覆层。当粉体整体氧含量过高时，会优先与 Y₂O₃、MgO 等烧结助剂发生反应，生成过量的玻璃相。过量玻璃相不仅会改变烧结体系内液相的黏度、表面张力等物化性质，还会干扰高温条件下的溶解 - 析出传质过程，最终导致烧结体致密度下降、晶界结构劣化。

粉体粒度与粒径分布不合理：若氮化硅粉体粒径过大或粒径分布区间过宽，颗粒间难以实现紧密堆积，坯体内部易形成大量连通性孔隙；同时，粉体比表面积与表面能显著降低，会直接削弱烧结致密化的核心驱动力，阻碍高温下的扩散传质与晶粒重排过程，最终导致烧结体致密度难以达到设计标准。

烧结助剂体系适配性不足

种类与配比不当：氮化硅属于强共价键晶体，其原子本征扩散系数极低，单纯依靠固相烧结难以实现坯体致密化，必须引入烧结助剂构建液相烧结体系。助剂通过在高温下与氮化硅粉体表面的 SiO₂等次生相发生反应，形成低熔点液相，借助溶解 - 扩散 - 析出的传质机制推动晶粒滑移、重排及孔隙填充。若助剂种类（如 Y₂O₃-Al₂O₃、MgO-SiO₂等复合体系）选择错误，或多元助剂间配比失衡，将无法在预设烧结温度窗口内，形成兼具适宜黏度、表面张力及含量的液相介质；液相黏度偏高会降低传质效率，黏度偏低则易引发晶粒异常长大，二者均会导致烧结体致密度不足、力学性能劣化。

混合不均匀：烧结助剂与氮化硅粉体的混合均匀性直接决定坯体烧结行为的一致性。若混合工艺控制不当，会导致助剂在粉体中呈非均匀分布：局部区域助剂浓度过高，高温下会生成过量液相，引发晶粒异常粗化、液相渗透流失等 “过烧” 现象，造成该区域致密度波动、晶界结构劣化；而助剂匮乏区域则因液相量不足，难以通过溶解 - 析出传质机制实现孔隙填充与晶粒重排，表现为 “欠烧” 特征。这种区域性的烧结行为差异，会使最终烧结体呈现明显的性能梯度，力学强度、致密度等关键指标离散度大幅升高，整体均匀性无法满足工程应用要求。

坯体密度分布不均：在干压、冷等静压等成型工序中，若模具内压力场分布不均形成压力梯度，或氮化硅粉体因颗粒形貌、粒度分布等因素导致流动性较差，均会造成坯体内部密度呈现显著的区域性差异。进入烧结阶段后，坯体中初始密度较高的区域，颗粒间接触点更多、孔隙尺寸更小，会优先启动烧结收缩并完成致密化，进而形成连续的致密层结构；该致密层会封闭低密度区域与外界的通道，阻碍其内部气孔的排出及高温下的溶解 - 析出传质过程，最终导致低密度区域致密化进程停滞，烧结体出现明显的密度梯度与性能分层。

坯体固有成型缺陷：成型工序中引入的层裂、夹层、内裂纹等微观 / 宏观缺陷，是影响氮化硅陶瓷烧结质量的关键隐患。在烧结升温与降温阶段，坯体经历剧烈的热膨胀与收缩过程，这些缺陷会成为显著的应力集中源，在热应力作用下极易诱发裂纹的萌生与扩展，最终导致制品出现贯穿性开裂或不规则翘曲变形；同时，此类缺陷会破坏坯体内部气孔的连通性，堵塞烧结过程中气相排出的有效通道，使坯体内部残留的空气及反应生成的气体无法顺利逸出，进而引发气孔聚集、局部鼓泡等问题，严重降低烧结体的致密度与力学性能。

有机添加物残留：在氮化硅陶瓷成型工序中，为改善粉体成型性能而引入的粘结剂、增塑剂等有机助剂，需通过脱脂（排胶）工艺实现完全脱除。若脱脂工艺参数控制不当（如升温速率过快、保温时间不足），会导致有机助剂发生非充分裂解：一方面，未彻底分解的有机物会以碳质杂质形式残留于坯体内部，破坏烧结体的相组成均匀性；另一方面，有机物快速裂解产生的大量气体无法通过坯体孔隙及时排出，易在内部形成气压积聚，引发坯体鼓泡、开裂等宏观缺陷。此外，残留碳质与气体滞留形成的孔隙会显著阻碍高温烧结阶段的传质过程，降低烧结体的致密度与力学性能。

烧结温度偏低或保温时间不足时，体系难以达到液相充分形成、物质有效迁移所需的最优温时窗口；且高温保温阶段时长不足，不足以驱动颗粒重排、溶解 - 析出等致密化过程的充分进行。

烧结气氛调控不当将显著影响氮化硅烧结效果，具体表现为：

氮气分压不足：氮化硅在高温环境下存在热分解特性（Si₃N₄ → 3Si (g) + 2N₂(g)），当烧结炉内氮气压力（工业常规控制范围 0.1~10MPa）未达工艺要求时，制品表面会发生明显分解，生成多孔、低强度的单质硅层，该硅层不仅降低制品表面性能，还会阻碍内部致密化的持续进行，是造成制品 “烧不熟”（以表面粉化为典型特征）的核心原因。

气氛含杂超标：炉内气氛中氧气、水汽等杂质含量过高，会导致制品表面发生过度氧化反应，形成致密的氧化 “硬壳”，该硬壳会堵塞制品内部气孔通道，阻止烧结过程中内部气体的排出，最终抑制致密化进程。

气体流动与循环不良：炉内气氛处于静态或循环效果不佳时，烧结产生的分解产物等气体易在局部区域积聚，造成炉内不同位置气体成分不均，进而导致制品各部位烧结程度不一致，影响整体均一性。

工艺复盘要求：

对烧结过程的关键工艺参数进行全面核对，包括温度曲线、气氛体系（压力、纯度、流量）及装炉方式，逐一对比既往合格批次的工艺标准，排查参数偏差。

核查生产所用氮化硅原料粉体、烧结助剂的批次信息，确认是否存在批次更换情况。

解决氮化硅烧结 “烧不熟” 的问题，本质上是一项系统性工程，需对粉体 - 成型 - 烧结全工艺链条实施精细化管控。而最易落地、收效显著的突破点，往往在于保障氮气烧结气氛的充足与稳定，同时优化烧结助剂体系及烧结温度曲线，从核心工艺维度筑牢致密化基础。