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

　　氮化硅材料并不是天然產(chǎn)物，是科學(xué)家們通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段合成，早在140年前已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。氮化硅在當(dāng)時(shí)并沒(méi)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(xué)家們才開(kāi)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)缺口巨大

　　氮化硅的分子式是Si₃N₄，屬于共價(jià)鍵化合物，晶體結(jié)構(gòu)成六方晶型，有α、β、γ這3種晶型結(jié)構(gòu)，這三種晶型結(jié)構(gòu)在高溫?zé)Y(jié)的時(shí)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(jī)械強(qiáng)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(dǎo)熱系數(shù)大，抗震性好;密度低，比重小;耐腐蝕，抗氧化能力強(qiáng)，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(lǐng)域、軸承制造領(lǐng)域、半導(dǎo)體工業(yè)等都得到了廣泛的應(yīng)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(guó)內(nèi)對(duì)其需求量每年大概在6萬(wàn)噸以上。作為渦輪葉片在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的需求量每年甚至超過(guò)了10萬(wàn)噸。除此之外，氮化硅陶瓷作為耐火材料、發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、基板材料、刀具等產(chǎn)品的原料，年需求量大約為6萬(wàn)噸。目前，國(guó)內(nèi)氮化硅陶瓷的年產(chǎn)量大約在10萬(wàn)噸左右，而國(guó)內(nèi)的需求量大概在20萬(wàn)噸以上。從市場(chǎng)現(xiàn)狀來(lái)看，供應(yīng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于產(chǎn)量，供求關(guān)系極度不平衡，存在很大的供應(yīng)缺口。主要原因是國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)技術(shù)還欠缺。

　　表1 氮化硅性能參數(shù)

　　(數(shù)據(jù)來(lái)源：根據(jù)公開(kāi)資料整理)

　　主要應(yīng)用領(lǐng)域分析

　　(1)氮化硅陶瓷在軸承制造領(lǐng)域的市場(chǎng)潛力

　　滾動(dòng)疲勞壽命是衡量軸承材料性能最主要的指標(biāo)。近些年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，軸承的使用環(huán)境越來(lái)越多樣化，使用條件也越來(lái)越苛刻，對(duì)軸承的性能和結(jié)構(gòu)要求越來(lái)越高，對(duì)于制造軸承的材料提出了更高的要求。國(guó)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(guò)500萬(wàn)的企業(yè)在900家以上，2017年軸承的銷售規(guī)模達(dá)到2751.73億元，預(yù)計(jì)2023年軸承的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2023億元。我國(guó)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(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品批量報(bào)廢。

　　由下表可以看出，氮化硅陶瓷和高碳鉻鋼的性能對(duì)比有如下特點(diǎn)：1)氮化硅陶瓷相比于高碳鉻鋼，更加的耐高溫耐腐蝕，化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，比高碳鉻鋼更適合在腐蝕性強(qiáng)、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(shí)，滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)時(shí)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(zhǎng);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(yīng)力。有實(shí)驗(yàn)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(shì)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(lái)源：中國(guó)知網(wǎng))

　　(2)氮化硅陶瓷在航空航天領(lǐng)域的市場(chǎng)潛力

　　渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)性能的重要材料。發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪設(shè)計(jì)的整體要求是尺寸小、重量輕。我國(guó)渦輪葉片經(jīng)過(guò)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(dá)1200℃，使用壽命大于150個(gè)小時(shí)。然而，大飛機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度高達(dá)1600℃。目前大飛機(jī)的渦輪葉片，為了防止燃?xì)鉀_刷，常噴涂防護(hù)層。通過(guò)熱壓法燒結(jié)的氮化硅陶瓷對(duì)溫度的耐受高達(dá)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(jī)渦輪葉片良好制造材料。我國(guó)計(jì)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(jī)渦輪葉片。

　　表3 各代發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片選用材料發(fā)展

　　(資料來(lái)源：中國(guó)知網(wǎng))

　　(3)氮化硅在陶瓷散熱半導(dǎo)體中的市場(chǎng)潛力

　　從上個(gè)世紀(jì)90年代開(kāi)始，信息技術(shù)飛速發(fā)展，同時(shí)帶動(dòng)著半導(dǎo)體工業(yè)和微電子技術(shù)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(lái)越多，集成電路越來(lái)越密集，導(dǎo)致排線的基板出現(xiàn)了難以散熱的問(wèn)題。電子封裝基板如果不能及時(shí)將基板上的熱量散去，基板上不僅會(huì)產(chǎn)生裂紋，而且會(huì)導(dǎo)致電路損壞。目前，市場(chǎng)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(shí)驗(yàn)之后會(huì)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(shí)將熱量散發(fā)出去，負(fù)載在基板上的電路會(huì)脫落，這并不能滿足電動(dòng)汽車3000次熱循環(huán)后仍能正常使用的要求。

　　實(shí)驗(yàn)證明，氮化硅的熱導(dǎo)率高達(dá)200-320W?m-¹?K^-1左右，其抗彎強(qiáng)度達(dá)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(yù)計(jì)中期內(nèi)會(huì)替代這兩種材料。

　　結(jié)語(yǔ)

　　氮化硅陶瓷因性能優(yōu)異，在各個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)的產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其市場(chǎng)需求量，缺口很大。氮化硅陶瓷在飛機(jī)渦輪領(lǐng)域的應(yīng)用相比于合金，更加耐高溫，密度更低，我國(guó)計(jì)劃在2020年將飛機(jī)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(shì)更加明顯，有望在2023年龐大的軸承市場(chǎng)取得一席之地。信息科技的飛速發(fā)展離不開(kāi)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(dòng)汽車領(lǐng)域?qū)母咝阅艿囊螅杼沾捎型娲?/p>