氮化硅（Si3N4) 是共價鍵化合物，它有兩種晶型，即α-Si3N4和β-Si3N4。α-Si3N4是針狀結(jié)晶體，β-Si3N4是顆粒狀結(jié)晶體，兩者均屬六方晶系。
將高純Si在1200~1300℃下氮化，可得到白色或灰白色的α-Si3N4，而在1450℃左右氮化時，可得到β-Si3N4。
Si3N4是很難燒結(jié)的物質(zhì)，因此很難實現(xiàn)像氧化物陶瓷那樣的致密燒結(jié)。Si3N4陶瓷的燒結(jié)方法大致可分為利用氮化反應(yīng)燒結(jié)法和采用外加劑的致密燒結(jié)法兩大類。后一類燒結(jié)法要求優(yōu)質(zhì)粉末原料，因而對于 Si3N4粉體的性能有比較高的要求。
（1) Si3N4粉末的制備。
①Si的直接氮化法
將具有一定細(xì)度和純度的硅粉置爐中通氮?dú)饧訜帷Ｒ话愎璺壑泻蠪e、SiO2、Ca等雜質(zhì)，要求這些雜質(zhì)總量應(yīng)小于2%。
Si粉氮化而得Si3N4 粉料一般為α-Si3N4和β-Si3N4混合物，將高純硅粉在1200~1300℃氮化可得高含量α-Si3N4， 而在1450℃氮化則得高含量β-Si3N4。
硅粉氮化為放熱反應(yīng)，因此氮化時要很好控制升溫制度。否則由于放熱可能使溫度超過所需的氮化溫度，使β-Si3N4相增多：另外，超過硅的熔點(diǎn)（1400℃)就會使硅粉熔合成團(tuán)妨礙繼續(xù)氮化，所以氮?dú)獾募兌取i粉細(xì)度及氮化溫度都是影響Si3N4粉質(zhì)量的重要因素。
這種硅粉直接氮化法，產(chǎn)物結(jié)塊，顆粒粗，使用前必須重新粉碎，加工過程中易混人雜質(zhì)，影響制品的高溫性能。
②SiO2還原氮化法
SiO2 (石英粉）和C (碳）是非常便宜的原料，純度高，生成的 Si3N4 粉末純度高、顆粒細(xì)、反應(yīng)吸熱、氮化速度比 Si 粉直接氮化快。
此反應(yīng)較復(fù)雜，產(chǎn)物除Si3N4外，還有Si2N2O和未反應(yīng)的 SiO2 混合物，必須控制反應(yīng)溫度，避免SiC的生成。由于主要是氣相反應(yīng)，易生成纖維狀物質(zhì)，需要采取措施控制粉末的形貌。
研究證明，SiO2 和碳還原氮化法制備的Si3N4粉末的α相含量高，燒結(jié)后材料抗彎強(qiáng)度較高，說明此法是可以制備出高性能粉末的，然而SiO2不易還原氮化是一個較嚴(yán)重的問題。合成的Si3N4 粉末中，若存在少量 SiO2， 則燒結(jié)時 SiO2在高溫下與金屬雜質(zhì)形成低共熔物，會嚴(yán)重影響材料的高溫性能。
③ 亞胺和胺化物熱分解法
此法又叫 SiCl4液相法。SiCl4在0℃干燥的乙烷中與過量的無水氨氣反應(yīng)，生成亞氨基硅、氨基硅和NH4CI沉淀。NH4CI可真空加熱，并在1200~1350℃于N2中分解，也可用液氨多次洗滌除去。再在高溫惰性氣體中加熱，即可獲得Si3N4粉。
④Si或SiH4與NH3的化學(xué)氣相沉積（CVD) 法把SiCl4揮發(fā)氣或SiH4在1000~1200℃下與NH3直接進(jìn)行氣相反應(yīng)生成非晶態(tài)Si3N4，再熱處理而得高純、超細(xì)α-Si3N4粉末。
③、④兩種方法反應(yīng)劇烈，設(shè)備復(fù)雜，難以控制。產(chǎn)物通常為高純超細(xì)粉末，但成本高生產(chǎn)率低，常含有對致密化有害的離子。
（2) 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅（Reaction Sintered Nitride)
反應(yīng)燒結(jié)氮化硅是將硅粉按制品形狀要求成型后，在氮化爐中加熱氮化，此法氮化后產(chǎn)品為α相和β相的混合物，其產(chǎn)品尺寸和素坯尺寸基本相同，也就是說，反應(yīng)前后坯體體積基本上不變。這是本工藝的一個特點(diǎn)。這種工藝的產(chǎn)品密度主要取決于成型素坯密度，一般產(chǎn)品都含有20%左右的氣孔，故密度不高，強(qiáng)度不大。由于這種工藝可精確地制造形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，不需要昂貴的機(jī)械加工。所以，目前反應(yīng)燒結(jié)氮化硅在工業(yè)上獲得了廣泛的應(yīng)用。
目前，在工業(yè)生廣中通常使用本法制造氮化硅陶瓷，其工藝流程如下：
硅粉－一磨細(xì)一一成型－一素坯氮化－一修坯－一氨化燒結(jié)－一研磨加工一一成品
具體工藝過程是：先將硅粉磨細(xì)后，用一般陶瓷材料的成型方法（如注漿、擠壓、干壓、冷等靜壓、注射等）， 做成所需形狀的素坯，接著在遠(yuǎn)低于硅熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行初步氮化，使之獲得一定強(qiáng)度，然后在機(jī)床上將其加工到最終的制品尺寸，再進(jìn)行正式氮化，直到坯體中硅粉完全氮化為止。冷卻后取出，即得到所需的氮化硅部件。一般說來，部件無需再進(jìn)行研磨加工。
（3) 熱壓氮化硅（HPSN)
反應(yīng)燒結(jié)氮化硅的密度一般只能達(dá)到2~2. 7g/cm3, 要求密度和強(qiáng)度較高，就需要采用熱壓燒結(jié)制備工藝。熱壓燒結(jié)的致密度能達(dá)到3. 2g/cm3左右。
熱壓工藝要求α-Si3N4含量＞90%的細(xì)粉，加入適量的添加劑以防止氧化，添加劑MgO、Y2O3、Al2O3，先在鋼模內(nèi)壓制成型，成型壓力一般為50MPa, 然后在熱壓爐內(nèi)進(jìn)谷形熱壓。熱壓溫度為1700~1800℃, 在保護(hù)氣氛中進(jìn)行，壓力為20~30MPa.保溫保壓30~120min。經(jīng)熱壓的制品，可根據(jù)需要進(jìn)行研磨加工。
氮化硅作為高溫工程材料而引人注目。氮化硅陶瓷具有一系列的特性，即輕密度 3. 19g/cm3) 、硬（維氏硬度～19GPa) 、高強(qiáng)度（彈性模量～300GPa) 、熱膨脹系數(shù)小（約3×10-6/℃) 。
Si3N4的高溫蠕變小，特別加入適量SiC之后，抗高溫蠕變性顯著提高。
Si3N4 的抗氧化性很好，可耐氧化到1400℃, 實際使用溫度達(dá)1200℃。
Si3N4 的抗腐蝕性好，能耐大多數(shù)酸的侵蝕，但不能耐濃 NaOH和HF的侵蝕。
Si3N4的摩擦系數(shù)較小，僅0.1, 與加油的金屬表面相似。
由于氮化硅陶瓷的優(yōu)異性能，它已在許多工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，并有許多潛在的用途。
利用其耐高溫耐磨性能，在陶瓷發(fā)動機(jī)中用于燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子、定子和渦形管；無水冷陶火花塞、活塞罩、汽缸套、副燃燒室以及活塞一渦輪組合式航空發(fā)動機(jī)的零件等。
利用它的抗熱震性好、耐腐蝕、摩擦系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)，它在冶金和熱加工工業(yè)上被廣泛用于測溫?zé)犭娕继坠堋㈣T模、坩堝、馬弗爐爐膛、燃燒嘴、發(fā)熱體夾具、煉鋁爐爐襯、鋁液導(dǎo)管、鋁包內(nèi)襯、鋁電解槽襯里、熱輻射管、傳送輥、高溫鼓風(fēng)機(jī)和閥門等；鋼鐵工業(yè)上用作煉鋼水平連鑄機(jī)上的分流環(huán)；電子工業(yè)上用作拉制單晶硅的坩堝等。
利用它的耐腐蝕、耐磨性好、導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)，它被廣泛用于化工工業(yè)上作球閥、密封環(huán)、過濾器和熱交換器部件等。
利用它的耐磨性好、強(qiáng)度高、摩擦系數(shù)小的特點(diǎn)，它被廣泛用于機(jī)械工業(yè)上作軸承滾珠、滾柱、滾珠座圈、高溫螺栓、工模具、柱塞泵、密封材料等。
此外，它還被用于電子、軍重和核工業(yè)上，如開關(guān)電路基片、薄膜電容器、高溫絕緣體、雷達(dá)、天線罩、導(dǎo)彈尾噴管、炮筒內(nèi)襯、核反應(yīng)堆的支承、隔離件和核裂變物質(zhì)的載體等。
2.氮化硅陶瓷的制造工藝
3.氮化硅陶瓷的性能與用途