氮化硅（Si3N4）是一種由硅和氮組成的共價(jià)鍵化合物，于1857年被發(fā)現(xiàn)，早期有些學(xué)者尤其是德國(guó)的研究者們并不完全認(rèn)同其化學(xué)組成，后來(lái)大量的研究證實(shí)了該化學(xué)式的正確性，直到現(xiàn)在被廣泛引用。然而，在誕生以后的一百多年時(shí)間里，氮化硅材料一直沒(méi)有出現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。
陶瓷形式的氮化硅最早是由英國(guó)發(fā)展起來(lái)的。該陶瓷材料在1955年首次生產(chǎn)，主要用于熱電偶管、熔融金屬坩堝和火箭噴嘴。這種類(lèi)型的材料是將金屬硅粉末壓坯再經(jīng)升溫和沖入氮?dú)獾纬傻模髞?lái)被稱(chēng)為反應(yīng)結(jié)合氮化硅。由于這種反應(yīng)燒結(jié)氮化硅一般含有25%左右的氣孔，致密化程度不夠高，因而未能體現(xiàn)氮化硅材料的高強(qiáng)度和硬度等性能。
1960年，Parr、Martin和May等發(fā)表了關(guān)于反應(yīng)結(jié)合氮化硅性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的綜述，概述了他們所開(kāi)發(fā)的技術(shù)，這些技術(shù)為后續(xù)的氮化硅陶瓷發(fā)展提供了很大的技術(shù)支撐。
20世紀(jì)70年代，美國(guó)開(kāi)始了大規(guī)模的氮化硅材料開(kāi)發(fā)計(jì)劃。美國(guó)國(guó)防部在1971年開(kāi)始與福特汽車(chē)公司和西屋電氣公司進(jìn)行五年發(fā)展規(guī)劃的項(xiàng)目合作。該項(xiàng)目旨在探究氮化硅替代傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)材料，開(kāi)發(fā)陶瓷燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性。項(xiàng)目早期就意識(shí)到，由于熱壓只局限于生產(chǎn)簡(jiǎn)單形狀的氮化硅，而燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)零部件都是異形件。除非通過(guò)改進(jìn)氮化硅陶瓷制造工藝，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)陶瓷材料在發(fā)動(dòng)機(jī)方面的應(yīng)用。
1976年，Terwilliger和Lange在西屋實(shí)驗(yàn)室偶然發(fā)現(xiàn)，氮化硅粉末無(wú)需施加機(jī)械壓力就可以燒結(jié)，在高于正常溫度的條件下對(duì)摻雜氧化鎂、氮化硅粉末進(jìn)行熱壓實(shí)驗(yàn)。當(dāng)不施加常規(guī)壓力時(shí)，氮化硅粉末圓筒仍然發(fā)生了明顯的收縮。因此，可以認(rèn)為在石墨模具的有限空間內(nèi)，氮化硅的蒸發(fā)損失得到了抑制，從而能夠發(fā)生整體致密化，這是高密度氮化硅陶瓷發(fā)展的重要一步，在這一基礎(chǔ)上發(fā)展了無(wú)壓燒結(jié)氮化硅。
在高溫?zé)Y(jié)時(shí)，氮化硅高溫分解非常顯著，僅靠單純的埋粉已經(jīng)無(wú)法抑制，需要進(jìn)一步提高工藝抑制氮化硅高溫分解，促進(jìn)燒結(jié)體致密化。于是，便發(fā)展了氣壓燒結(jié)氮化硅。1976年，日本Mitomo報(bào)道了在1450℃-1900℃，10atm氮?dú)鈮毫l件下，進(jìn)行Si3N4陶瓷燒結(jié)的研究，這是最早的氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷方法。
上述關(guān)于氮化硅陶瓷的多種燒結(jié)工藝是幾代陶瓷科研人員為解決氮化硅陶瓷不同的工程應(yīng)用不懈努力的成功結(jié)果。近來(lái)陸續(xù)發(fā)展的放電等離子體燒結(jié)和微波燒結(jié)等新技術(shù)給氮化硅應(yīng)用又開(kāi)拓了新的途徑。
就應(yīng)用來(lái)看，無(wú)論是從飛入太空的火箭到在公路上飛馳的汽車(chē)，還是從無(wú)堅(jiān)不摧的刀具到堅(jiān)硬的人造骨骼，氮化硅陶瓷已經(jīng)成為工業(yè)技術(shù)特別是尖端技術(shù)中不可缺少的關(guān)鍵材料，是代表現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的主要方向之一
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