摘要：氮化硅陶瓷因其優(yōu)良的性質(zhì)，得到了來自各個領域的青睞。本文重點分析了氮化硅陶瓷優(yōu)良的性質(zhì)、在航空航天領域、軸承制造領域和基板領域的巨大市場。

　　氮化硅材料并不是天然產(chǎn)物，是科學家們通過實驗手段合成，早在140年前已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。氮化硅在當時并沒有得到人們的重視，僅僅作為一種穩(wěn)定，難以溶解的化合物留在人們的記憶中。直到1955年，科學家們才開始重視氮化硅，七十年代中期，才真正制得了高質(zhì)量、低成本的氮化硅陶瓷產(chǎn)品。

　　氮化硅陶瓷性能優(yōu)異 國內(nèi)市場缺口巨大

　　氮化硅的分子式是Si₃N₄，屬于共價鍵化合物，晶體結構成六方晶型，有α、β、γ這3種晶型結構，這三種晶型結構在高溫燒結的時候能夠相互轉(zhuǎn)換，并且這種轉(zhuǎn)換是不可逆的。從表中可以看出，氮化硅陶瓷機械強度高，能與合金鋼相比;表面摩擦系數(shù)小，耐磨損、彈性模量大，耐高溫;熱膨脹系數(shù)小，導熱系數(shù)大，抗震性好;密度低，比重小;耐腐蝕，抗氧化能力強，電絕緣性好。氮化硅陶瓷這一系列優(yōu)良的性質(zhì)，使其在航空航天領域、軸承制造領域、半導體工業(yè)等都得到了廣泛的應用。

　　高碳鉻鋼目前作為制造軸承的主流材料，氮化硅陶瓷作為其替代材料，國內(nèi)對其需求量每年大概在6萬噸以上。作為渦輪葉片在飛機發(fā)動機中應用的需求量每年甚至超過了10萬噸。除此之外，氮化硅陶瓷作為耐火材料、發(fā)動機外殼、基板材料、刀具等產(chǎn)品的原料，年需求量大約為6萬噸。目前，國內(nèi)氮化硅陶瓷的年產(chǎn)量大約在10萬噸左右，而國內(nèi)的需求量大概在20萬噸以上。從市場現(xiàn)狀來看，供應量遠遠小于產(chǎn)量，供求關系極度不平衡，存在很大的供應缺口。主要原因是國內(nèi)的生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)技術還欠缺。

　　表1 氮化硅性能參數(shù)

　　(數(shù)據(jù)來源：根據(jù)公開資料整理)

　　主要應用領域分析

　　(1)氮化硅陶瓷在軸承制造領域的市場潛力

　　滾動疲勞壽命是衡量軸承材料性能最主要的指標。近些年來，隨著科技的進步，軸承的使用環(huán)境越來越多樣化，使用條件也越來越苛刻，對軸承的性能和結構要求越來越高，對于制造軸承的材料提出了更高的要求。國內(nèi)軸承行業(yè)居世界第四位，軸承生產(chǎn)企業(yè)接近2000家，其中年銷售額超過500萬的企業(yè)在900家以上，2017年軸承的銷售規(guī)模達到2751.73億元，預計2023年軸承的市場規(guī)模將達到2023億元。我國目前軸承制造的主要材料是高碳鉻鋼(GCr15)。高碳鉻鋼在制造軸承的實際生產(chǎn)過程中，由于受工件大小、裝爐方法、裝爐數(shù)量以及退火前原始組織不均勻性等因素，會導致產(chǎn)品批量報廢。

　　由下表可以看出，氮化硅陶瓷和高碳鉻鋼的性能對比有如下特點：1)氮化硅陶瓷相比于高碳鉻鋼，更加的耐高溫耐腐蝕，化學性質(zhì)更穩(wěn)定，比高碳鉻鋼更適合在腐蝕性強、溫度高和速度快的極端環(huán)境下工作;2)氮化硅陶瓷的密度是高碳鉻鋼密度的41%。做軸承時，滾動體旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力小，能夠防止升溫，利于高速旋轉(zhuǎn)，并且壽命較長;3)線膨脹系數(shù)低，氮化硅陶瓷的線膨脹系數(shù)大約是高碳鉻鋼的25.6%。較低的線膨脹系數(shù)能使軸承的工作速率范圍更寬;4)彈性模量高，氮化硅陶瓷的彈性模量是高碳鉻鋼的1.5倍。高的彈性模量意味著氮化硅能夠承受更大的應力。有實驗表明，氮化硅陶瓷軸承和同規(guī)格的高碳鉻鋼軸承相比，使用壽命最低提高了3倍，溫升最低能夠降低35%。在中期內(nèi)，氮化硅替代高碳鉻鋼制造軸承勢在必行。

　　表2 氮化硅陶瓷和高碳鉻鋼軸承的性能比較

　　(資料來源：中國知網(wǎng))

　　(2)氮化硅陶瓷在航空航天領域的市場潛力

　　渦輪葉片是航空發(fā)動機最重要的組成部分之一，制造渦輪葉片的材料是影響發(fā)動機性能的重要材料。發(fā)動機渦輪設計的整體要求是尺寸小、重量輕。我國渦輪葉片經(jīng)過四代發(fā)展，目前使用最主要的材料是鎳基合金，鎳基合金制造的渦輪葉片使用溫度高達1200℃，使用壽命大于150個小時。然而，大飛機在運轉(zhuǎn)時，發(fā)動機的溫度高達1600℃。目前大飛機的渦輪葉片，為了防止燃氣沖刷，常噴涂防護層。通過熱壓法燒結的氮化硅陶瓷對溫度的耐受高達1800℃，并且氮化硅陶瓷的密度比鎳基合金的密度更低，是作為大飛機渦輪葉片良好制造材料。我國計劃到2020年，用氮化硅陶瓷作為鎳基材料的替代材料制造飛機渦輪葉片。

　　表3 各代發(fā)動機渦輪葉片選用材料發(fā)展

　　(資料來源：中國知網(wǎng))

　　(3)氮化硅在陶瓷散熱半導體中的市場潛力

　　從上個世紀90年代開始，信息技術飛速發(fā)展，同時帶動著半導體工業(yè)和微電子技術的迅猛發(fā)展。以集成電路為例，集成電路上的排線密度越來越多，集成電路越來越密集，導致排線的基板出現(xiàn)了難以散熱的問題。電子封裝基板如果不能及時將基板上的熱量散去，基板上不僅會產(chǎn)生裂紋，而且會導致電路損壞。目前，市場上的基板材料主要是Al₂O₃和AIN兩種。這兩種基板材料在240K-500K的溫度下，經(jīng)歷了500次的熱循環(huán)實驗之后會產(chǎn)生裂紋，并且在經(jīng)歷500次的熱循環(huán)之后，由于基板不能及時將熱量散發(fā)出去，負載在基板上的電路會脫落，這并不能滿足電動汽車3000次熱循環(huán)后仍能正常使用的要求。

　　實驗證明，氮化硅的熱導率高達200-320W?m-¹?K^-1左右，其抗彎強度達到了460MPa，被證明是極具潛力的高速電路和大功率器件的基板，預計中期內(nèi)會替代這兩種材料。

　　結語

　　氮化硅陶瓷因性能優(yōu)異，在各個領域得到了應用。目前國內(nèi)的產(chǎn)量遠遠低于其市場需求量，缺口很大。氮化硅陶瓷在飛機渦輪領域的應用相比于合金，更加耐高溫，密度更低，我國計劃在2020年將飛機渦輪葉片將全部由氮化硅陶瓷替代。氮化硅陶瓷作為軸承的制造材料，優(yōu)勢更加明顯，有望在2023年龐大的軸承市場取得一席之地。信息科技的飛速發(fā)展離不開材料的發(fā)展，目前使用的兩種基材的性能不佳，而且并不能滿足電動汽車領域?qū)母咝阅艿囊?，氮化硅陶瓷有望替代?/p>