隨著對(duì)氮化硅陶瓷材料研究的深入,其各種優(yōu)異的性能被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。本文綜述了氮化硅陶瓷作為結(jié)構(gòu)陶瓷在機(jī)械領(lǐng)域和航空航天領(lǐng)域的研究進(jìn)展,介紹了其作為功能陶瓷在半導(dǎo)體領(lǐng)域和生物制藥領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀,及對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

氮化硅陶瓷是采用人工合成的高純度氮化硅粉體，經(jīng)過(guò)高溫高壓制備的具有共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的新型陶瓷。致密氮化硅陶瓷主要作為熱輻射保護(hù)管、燃燒嘴、坩堝等應(yīng)用在冶金行業(yè)中。在機(jī)械行業(yè)中可用作閥門、管道、分級(jí)輪以及陶瓷刀具，最廣泛的用途是氮化硅陶瓷軸承球。

氮化硅陶瓷軸承球與鋼質(zhì)球相比具有突出的優(yōu)點(diǎn):密度低、耐高溫、自潤(rùn)滑、耐腐蝕。疲勞壽命破壞方式與鋼質(zhì)球相同。陶瓷球作為高速旋轉(zhuǎn)體產(chǎn)生離心應(yīng)力，氮化硅的低密度降低了高速旋轉(zhuǎn)體外圈上的離心應(yīng)力。致密Si3N4陶瓷還表現(xiàn)出高斷裂韌性、高模量特性和自潤(rùn)滑性，可以出色地抵抗多種磨損，承受可能導(dǎo)致其他陶瓷材料產(chǎn)生裂紋、變形或坍塌的惡劣環(huán)境，包括極端溫度、大溫差、超高真空，在航空領(lǐng)域占有重要的位置。氮化硅軸承有望在各個(gè)行業(yè)中獲得廣泛的應(yīng)用。

最廣泛的氮化硅陶瓷球燒結(jié)工藝有HIP燒結(jié)和GPS燒結(jié)，兩種工藝下生產(chǎn)的陶瓷球針對(duì)不同的使用環(huán)境都有很廣泛的應(yīng)用。HIP燒結(jié)后氮化硅陶瓷球完全致密化，缺陷大幅度減少，各項(xiàng)力學(xué)性能得到大幅度提高。

氮化硅軸承球在使用中轉(zhuǎn)速每分鐘高達(dá)60萬(wàn)轉(zhuǎn)，其主要用在精密機(jī)床主軸、電主軸高速軸承，航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)軸承等設(shè)備用軸承中。高端氮化硅陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)仍以日本、歐美企業(yè)為主導(dǎo)。國(guó)際市場(chǎng)占有率、發(fā)展方向的引領(lǐng)力仍然被國(guó)外知名企業(yè)所控制。以日本京瓷、東芝、賽瑞丹、CoorsTek和英國(guó)Sailon公司最具代表性。據(jù)全球市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)MARKETS AND MARKETS預(yù)測(cè)全球氮化硅的市場(chǎng)規(guī)模，在分析期間(2020年~2027年)將以5.8%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。從2020年的1億40萬(wàn)美元，到2027年預(yù)計(jì)達(dá)到1億4900萬(wàn)美元。

多孔氮化硅陶瓷具有相對(duì)較高的抗彎強(qiáng)度和更低的密度，這是其在航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。它還具有抗蠕變性(與金屬相比)，可提高結(jié)構(gòu)在高溫下的穩(wěn)定性。這種材料具有多種附加特性，包括硬度、電磁特性和熱阻，作為透波材料被用來(lái)制作天線罩、天線窗。隨著國(guó)防工業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)彈向高馬赫數(shù)、寬頻帶、多模與精確制導(dǎo)方向發(fā)展。氮化硅陶瓷及其復(fù)合材料具有的防熱、透波、承載等優(yōu)異性能，使其成為新一代研究的高性能透波材料之一。

波音公司以氮化硅密度為主要技術(shù)參數(shù)，成功制備出密度可控在0.5~1.8g/cm3范圍內(nèi)的氮化硅陶瓷。1987年，波音公司專利US4677443提出了以氮化硅和鋇鋁硅酸鹽為材料的雙層高溫、寬頻天線罩設(shè)計(jì)方法，頻率范圍為0.4~40GHz。2014年，山東工陶院和天津大學(xué)聯(lián)合制備出A夾層結(jié)構(gòu)多孔氮化硅陶瓷寬頻帶(1~18GHz)天線罩。美國(guó)賽瑞丹已將氮化硅天線罩定型于PAC-3導(dǎo)彈上。

國(guó)內(nèi)在多孔氮化硅陶瓷制備方面做了大量的工作，但制備方法還不夠系統(tǒng)，不夠深入，在透波材料應(yīng)用方面較國(guó)外有一定的差距。國(guó)內(nèi)企業(yè)采用氣壓燒結(jié)制備了各種尺寸的天線罩、天線窗樣件，通過(guò)了地面考核試驗(yàn)，但離真正的上天飛行還有一段路程要走。

除了卓越的機(jī)械性能外，氮化硅陶瓷還表現(xiàn)出一系列優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，使其適用于要求苛刻的半導(dǎo)體領(lǐng)域。熱導(dǎo)率是材料傳遞或傳導(dǎo)熱量的固有能力，由于氮化硅獨(dú)特的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的綜合性能，是一種非常理想的散熱性能良好的基板材料。

氮化硅陶瓷最開(kāi)始是作為不導(dǎo)熱的結(jié)構(gòu)陶瓷被廣泛應(yīng)用，其熱導(dǎo)率為15W/(m·K)左右，直到1955年，Haggerty等理論計(jì)算出氮化硅的本征熱導(dǎo)率應(yīng)在200~320W/(m·K)之間。隨后Hirosaki等采用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬計(jì)算了在β-Si3N4單晶中的能量傳遞規(guī)律，預(yù)測(cè)β-Si3N4沿a軸熱導(dǎo)率為170W/(m·K)，沿c軸熱導(dǎo)率為450W/(m·K)，模擬結(jié)果為高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷材料的研究提供了理論依據(jù)。

實(shí)際制備氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率的數(shù)值與理論值差別較大，這主要是因?yàn)槔碚撚?jì)算是按單個(gè)氮化硅晶粒進(jìn)行計(jì)算的。實(shí)際情況要復(fù)雜的多，氮化硅陶瓷晶粒的大小、晶間氧和其他雜質(zhì)的存在與否、晶間相含量的多少都對(duì)氮化硅熱導(dǎo)率有非常大的影響。

從國(guó)內(nèi)報(bào)道的數(shù)據(jù)看，半導(dǎo)體用氮化硅陶瓷大部分處于科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)單位的小批量研制階段，沒(méi)有規(guī)模化生產(chǎn)。中材高新氮化物陶瓷有限公司北京分公司采用流延成型方式已進(jìn)行了小批量生產(chǎn)，氮化硅陶瓷的基板尺寸為190mm×138mm×(0.320~0.635)mm，熱導(dǎo)率為100W/(m·K)，抗彎強(qiáng)度達(dá)650MPa以上。

國(guó)際上主要的高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷生產(chǎn)商有東芝集團(tuán)(TOSHIBA)、日本電氣化學(xué)(DENKA)、日本丸和(MARUWA)、日本精細(xì)陶瓷(JFC)、日立金屬株式會(huì)社(HITACHI)。商用高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率在85W/(m·K)以上，抗彎強(qiáng)度為600~850MPa，斷裂韌性為5.0~7MPa·m1/2。日立公司對(duì)氮化硅基板進(jìn)行了特殊的活化工藝處理，熱導(dǎo)率可以達(dá)到130W/(m·K)，其他力學(xué)性能不變。不同企業(yè)生產(chǎn)的氮化硅陶瓷性能各有特點(diǎn)，這些性能差異與各廠商之間不同的生產(chǎn)工藝和目標(biāo)市場(chǎng)定位有關(guān)。

官方報(bào)道，2020年1月，東芝材料宣布將在日本橫濱大分縣大分市投資100億日元(約6.37億元人民幣)建設(shè)第二個(gè)氮化硅基板生產(chǎn)基地，2020年7月開(kāi)始建設(shè)，預(yù)計(jì)2023年3月建設(shè)完成，一期氮化硅基板產(chǎn)能可達(dá)到40000m2/a。2020年6月3日，作為全球氮化鋁材料領(lǐng)先的日本Tokuyama(德山公司)官網(wǎng)發(fā)布公告，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了獨(dú)有的節(jié)能、安全、環(huán)保且低成本的陶瓷基板生產(chǎn)工藝，聚焦于氮化硅陶瓷材料在電動(dòng)汽車和新能源設(shè)備中使用的半導(dǎo)體功率模組中的應(yīng)用。

作為新一代生物陶瓷材料，氮化硅陶瓷除了具備陶瓷材料應(yīng)有的優(yōu)秀品質(zhì)外，還應(yīng)具有良好的射線成像性能、抗感染性能、生物相容性能以及骨整合性能。在小豬額骨中植入氮化硅陶瓷夾板和螺釘，X射線圖像顯示，氮化硅陶瓷植入體和周圍骨頭的區(qū)分度高，沒(méi)有產(chǎn)生偽影，也沒(méi)有引起成像畸變，這說(shuō)明氮化硅陶瓷具有很好的射線成像性能。

骨科植入的一個(gè)最重要指標(biāo)是植入體的抗菌性。最先對(duì)比了Si3N4陶瓷、聚醚醚酮(PEEK)和金屬Ti對(duì)蘭氏陰性細(xì)菌的體外抗菌效果，經(jīng)過(guò)3d后，氮化硅陶瓷表面細(xì)菌數(shù)量最少；將牙齦卟啉單胞菌(PG)養(yǎng)殖在氮化硅陶瓷基體上，結(jié)果表明，細(xì)菌代謝后的成分與氮化硅基體表面相互作用降低了PG裂解和代謝；將Si3N4、Ti和PEEK植入到大鼠顱蓋內(nèi)，然后再植入葡萄球菌，90d后，氮化硅植入體的細(xì)菌感染率為0%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Ti和PEEK表面的21%和88%。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明氮化硅陶瓷具有很好的抗菌性。

生物相容性是氮化硅陶瓷作為生物陶瓷的必要條件，氮化硅陶瓷有很好的細(xì)胞增殖效果并且細(xì)胞代謝正常。在兔股骨髓腔內(nèi)植入氮化硅陶瓷體，90d后，股骨髓腔內(nèi)沒(méi)有發(fā)生任何不良后果。證明氮化硅陶瓷具有很好的體內(nèi)生物相容性。

在小型豬模型研究生物相容性時(shí)發(fā)現(xiàn)，氮化硅陶瓷具有非常好的骨整合性能。在大鼠顱骨模型中植入Ti、PEEK、Si3N4種植體進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，90d后氮化硅植入體新生骨的質(zhì)量比占23%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩種材料的植入體。

氮化硅陶瓷具有上述的優(yōu)異特性使其成為理想的生物材料，在生物傳感器、脊柱、骨科、牙科等植入物方面得到應(yīng)用。

據(jù)官方報(bào)道，以美國(guó)SINTX(美國(guó)納斯達(dá)克上市的氮化硅材料技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用公司)為例，2012年以來(lái)，氮化硅脊柱材料以20%的速度增長(zhǎng)。SINTX公司通過(guò)機(jī)器沉淀，Robocasting3D打印技術(shù)，成為全球首家采用該技術(shù)研制出醫(yī)療氮化硅陶瓷材料的公司。日本特陶研制的氮化硅陶瓷關(guān)節(jié)也已廣泛應(yīng)用。官網(wǎng)報(bào)道，美國(guó)Biorep胰島移植機(jī)里用到直徑為15.875mm的氮化硅球珠，氮化硅球珠可提高胰腺消化效率，同時(shí)防止胰腺與腔室系統(tǒng)同步移動(dòng)，這些球珠還能增加胰腺組織在腔室系統(tǒng)內(nèi)的分散程度。

SINTX公司在氮化硅殺毒消菌方面做了大量的研究，2020年7月20日，美國(guó)SINTX發(fā)布氮化硅材料可以有效地殺死冠狀SARS-CoV-2病毒。納米級(jí)氮化硅粉末具有獨(dú)特的表面生物化學(xué)性，可以抑制細(xì)菌感染。在這項(xiàng)研究中，將SARS-CoV-2病毒粒子暴露于15%的氮化硅懸浮液中，滅活時(shí)間為1min。經(jīng)過(guò)測(cè)試，與暴露于水的結(jié)果相比，氮化硅懸浮液對(duì)SARS-CoV-2病毒粒子的滅活效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在水中的比例。

高性能氮化硅陶瓷的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)氮化硅粉體質(zhì)量的要求越來(lái)越高，如何突破氮化硅粉國(guó)產(chǎn)化制備技術(shù)，打破高端粉體受國(guó)外制約的現(xiàn)狀，仍然是未來(lái)粉體發(fā)展的主要方向。氮化硅陶瓷各種優(yōu)異的特性被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，作為氮化硅陶瓷球在國(guó)內(nèi)、國(guó)際都占有一定的比例，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已成規(guī)模，未來(lái)的發(fā)展是提高高端陶瓷球占比，提高國(guó)際市場(chǎng)占有率。

但氮化硅陶瓷作為高透波材料、高導(dǎo)熱材料以及生物材料和國(guó)外相比還有很大的差距，關(guān)鍵核心技術(shù)被國(guó)外企業(yè)所控制，高端產(chǎn)品主要依賴于進(jìn)口，國(guó)內(nèi)還處在一個(gè)小批量生產(chǎn)和科學(xué)研究階段。所以在透波材料領(lǐng)域、半導(dǎo)體領(lǐng)域以及生物陶瓷領(lǐng)域，關(guān)鍵制備技術(shù)的突破以及產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)是未來(lái)發(fā)展的主方向。