Керамика из нитрида кремния (Si3N4) представляет собой искусственные синтетические соединения с прочными ковалентными связями. С момента их крупномасштабного производства в 1950-х годах они привлекают большое внимание благодаря уникальному сочетанию свойств [1]. По сравнению с металлами и полимерными материалами, керамика из нитрида кремния обладает рядом характеристик, таких как высокая твердость, термостойкость (сохранение высокой прочности на изгиб при высоких температурах), низкий коэффициент теплового расширения и превосходная стойкость к кислотной и щелочной коррозии [1]. Их основной структурной единицей является тетраэдр [SiN4], с атомами кремния в центре и атомами азота в вершинах, образующий непрерывную и прочную сетевую структуру в трехмерном пространстве, что является структурной основой для многих их превосходных свойств [2]. На протяжении многих лет, чтобы преодолеть проблемы низкого коэффициента самодиффузии и трудности достижения плотного спекания, вызванные их прочными ковалентными связями, исследователи разработали различные процессы спекания (такие как реакционное спекание, горячее прессование и газовое давление) и ввели вспомогательные вещества для спекания [1, 3]. Благодаря постоянным прорывам в технологии изготовления, керамика из нитрида кремния постепенно расширилась от первоначальных конструкционных материалов до функциональных материалов с особыми требованиями к тепловым, электрическим и биологическим свойствам, став одним из незаменимых ключевых материалов в современной промышленности и строительстве национальной обороны [3, 4].

Свойства керамики из нитрида кремния тесно связаны с ее микроструктурой, фазовым составом и процессом получения. Основные свойства можно обобщить следующим образом: Кристаллическая структура и фазовые превращения: Нитрид кремния имеет в основном две кристаллические формы: низкотемпературную стабильную α-Si3N4 и высокотемпературную стабильную β-Si3N4. Фаза α обычно является основной фазой исходного порошка. Во время высокотемпературного спекания в жидкой фазе фаза α необратимо превращается в фазу β посредством механизма растворения-диффузии-осаждения [1, 4]. Механические свойства: Керамика из нитрида кремния обладает чрезвычайно высокой твердостью (твердость по Виккерсу может достигать 18-21 ГПа), высокой прочностью на изгиб (около 600-1400 МПа) и хорошей вязкостью разрушения (около 3-12 МПа·м1/2) [1, 2, 4]. Их плотность (около 3,10-3,26 г/см3) намного ниже, чем у подшипниковой стали, но модуль упругости выше [4]. Тепловые свойства: Керамика из нитрида кремния термостойка, с температурой начала окисления на воздухе 1300-1400°C, и ее механические свойства остаются стабильными при высоких температурах [1, 2]. Они обладают отличной стойкостью к термическому шоку, низким коэффициентом теплового расширения (около 3,2×10-6/K), что близко к коэффициенту кремния [1, 4]. Путем оптимизации процесса можно получить керамику из нитрида кремния с высокой теплопроводностью, теоретическая теплопроводность которой превышает 200 Вт/(м·К), а фактические изделия достигают 90-177 Вт/(м·К) [1, 5, 6]. Химическая стабильность: Керамика из нитрида кремния химически стабильна и может противостоять коррозии большинства неорганических кислот и щелочных растворов. Функциональные характеристики: Регулируя состав и структуру (например, путем получения пористого нитрида кремния), материалу можно придать специфические функции, такие как низкая диэлектрическая проницаемость, хорошее волнопропускание, высокая удельная площадь поверхности и отличная биосовместимость и остеоиндуктивность [4, 7, 8].

В аэрокосмической отрасли нитрид кремния широко используется в системах термозащиты и волнопрозрачных компонентах высокоскоростных летательных аппаратов благодаря своей высокой термостойкости, стойкости к абляции, низкой плотности и превосходным диэлектрическим свойствам. Термозащитные и конструкционные компоненты: Пористые керамики на основе нитрида кремния сочетают в себе высокую термостойкость нитрида кремния с низкой теплопроводностью и низкой плотностью пористых материалов, что делает их весьма подходящими для использования в качестве материалов термозащитного покрытия аэрокосмических аппаратов [9]. Кроме того, керамика на основе нитрида кремния также применяется в ключевых компонентах, таких как лопатки турбин, футеровка камер сгорания и обтекатели ракет. Например, хвостовое сопло японского космического зонда "Акацуки" было изготовлено из керамических материалов на основе нитрида кремния, что позволило значительно повысить его характеристики [5]. Волнопрозрачные материалы: Пористые керамики на основе нитрида кремния обладают низкой диэлектрической проницаемостью и низким тангенсом угла потерь, что делает их идеальными волнопрозрачными материалами для обтекателей высокоскоростных летательных аппаратов. Путем регулирования пористости и размера пор их можно адаптировать для широкополосных рабочих сред, минимизируя помехи и потери для радиолокационных сигналов при обеспечении структурной прочности [8, 9].

В механической области нитрид кремния в основном используется в качестве износостойких, коррозионностойких и высокотемпературных конструкционных компонентов, что значительно повышает предельные характеристики и срок службы механического оборудования. Шарики для подшипников и шлифовальные шарики: Это одно из самых классических и успешных применений керамики из нитрида кремния. По сравнению со стальными подшипниками, керамические шарики для подшипников из нитрида кремния имеют более низкую плотность (снижение веса на 40%), что может значительно уменьшить центробежную силу при высокоскоростном вращении, продлевая срок службы подшипника; они имеют низкий коэффициент трения, обеспечивая самосмазывание; высокую твердость и отличную износостойкость; а также низкий коэффициент теплового расширения, обеспечивающий высокую эксплуатационную стабильность [1, 2, 4]. Они широко используются в высокоскоростных, высокоточных или агрессивных средах, таких как шпиндели станков с ЧПУ, авиационные двигатели, электромобили и химические насосы. В индустрии сверхтонкого помола шлифовальные шарики из нитрида кремния благодаря своей высокой твердости, низкому износу и низкому уровню загрязнения постепенно заменяют традиционные шлифовальные среды [3, 4]. Режущие инструменты: Режущие инструменты из нитрида кремния обладают высокой твердостью и хорошей красностойкостью, что позволяет осуществлять высокоскоростную резку при температурах выше 800°C. При обработке труднообрабатываемых материалов, таких как чугун и жаропрочные сплавы, их эффективность и срок службы значительно превосходят твердосплавные режущие инструменты [3, 5]. Коррозионностойкие и износостойкие компоненты: В химической и металлургической областях нитрид кремния используется для изготовления клапанов, уплотнительных колец, сопел, футеровки труб и защитных трубок термопар, среди прочего, используя их превосходную стойкость к кислотной и щелочной коррозии и эрозии частицами, решая проблемы склонности металлических компонентов к коррозии и короткого срока службы [3, 4].

С развитием электронных устройств в сторону высокой мощности и высокой интеграции, отвод тепла стал ключевым узким местом. Керамика на основе нитрида кремния, благодаря своей высокой теоретической теплопроводности и превосходным механическим свойствам, стала идеальным кандидатом для подложек электронных упаковок следующего поколения с высокой производительностью. Высокотеплопроводные упаковочные подложки: По сравнению с широко используемыми подложками из оксида алюминия (Al2O3) и нитрида алюминия (AlN), подложки из нитрида кремния не только обладают хорошей теплопроводностью (>90 Вт/(м·К)), но и имеют более высокую трещиностойкость (~6,5 МПа·м1/2) и прочность на изгиб (>600 МПа), с отличной стойкостью к термическому шоку, что соответствует требованиям многократных термических циклов в суровых условиях, таких как электромобили [5, 6]. Исследования успешно изготовили керамику на основе нитрида кремния с теплопроводностью до 133-177 Вт/(м·К) путем оптимизации спекающих добавок (например, использования MgSiN2 вместо MgO для снижения содержания кислорода в решетке) и процессов спекания (например, реакционного повторного спекания), что заложило основу для высокопроизводительных упаковок [1, 6]. Компоненты полупроводникового оборудования: В оборудовании для производства полупроводников керамика на основе нитрида кремния также используется для изготовления держателей пластин, нагревателей, компонентов травильных машин и т. д., благодаря своей высокой чистоте, устойчивости к плазменной коррозии и низкому уровню загрязнения [1]. 3.4 Применение в медицинской области

Керамика на основе нитрида кремния обладает превосходной биосовместимостью, антибактериальными свойствами, остеоиндуктивной способностью и механическими свойствами, схожими с человеческими костями, что делает ее перспективной для применения в биомедицинской области, особенно в ортопедических и стоматологических имплантатах. Ортопедические имплантаты: Модуль упругости нитрида кремния схож с модулем упругости человеческих костей, что может снизить эффект «экранирования напряжений». Его поверхность в физиологической среде может выделять силикатные ионы и следовые количества аммиака, стимулируя активность остеобластов, подавляя рост бактерий и способствуя интеграции кости [7]. С конца 1980-х годов нитрид кремния успешно используется в качестве устройства для межтелового спондилодеза. Многолетние клинические наблюдения (более 20 лет) показали, что устройства для спондилодеза из нитрида кремния могут эффективно способствовать росту кости, достигать прочного сращения и не вызывать токсических реакций [2, 7]. Стоматологические имплантаты: Исследования по применению нитрида кремния в качестве материала для стоматологических имплантатов набирают обороты. Его уникальная микро/наноструктурная шероховатая морфология поверхности способствует адгезии и пролиферации остеобластов [7]. Кроме того, нитрид кремния оказывает ингибирующее действие на распространенные патогенные бактерии полости рта, такие как Porphyromonas gingivalis и Staphylococcus aureus, помогая снизить риск периимплантита [7]. Более того, нитрид кремния обладает полузатухающими свойствами по отношению к рентгеновским лучам, что позволяет четко визуализировать его границу с костной тканью при рентгенологических исследованиях с минимальными артефактами, облегчая послеоперационную оценку [7]. Каркасы для тканевой инженерии кости: Пористые керамические материалы на основе нитрида кремния могут использоваться в качестве каркасных материалов для восстановления костных дефектов. Их пористая структура обеспечивает пространство для врастания клеток, транспорта питательных веществ и васкуляризации, в то время как присущая материалу биоактивность может ускорить образование новой кости [7, 8]. 3.5 Другие применения

Металлургическая промышленность: Благодаря превосходной стойкости к эрозии расплавленным металлом и термическому шоку, керамика из нитрида кремния используется для изготовления таких компонентов, как гильзы термопар для измерения температуры расплава алюминия, футеровка печей для выплавки алюминия, тигли и каналы, срок службы которых значительно превышает срок службы материалов из нержавеющей стали и корунда [2]. Автомобильная промышленность: Роторы турбокомпрессоров из керамики на основе нитрида кремния, благодаря своей низкой плотности и малой инерции, могут значительно уменьшить турбояму, улучшить скорость отклика двигателя и его эффективность, и уже применяются в автомобилях высокого класса [2]. Химическая промышленность и защита окружающей среды: Пористая керамика на основе нитрида кремния, благодаря своей высокой термостойкости, коррозионной стойкости и высокой точности фильтрации, может использоваться в качестве высокотемпературных газовых фильтров, носителей катализаторов, компонентов мембранного разделения и т. д. [8].

Нитрид кремния, как передовой керамический материал с выдающимися характеристиками, глубоко интегрировался в стратегические развивающиеся отрасли, такие как аэрокосмическая промышленность, высокотехнологичное производство, полупроводниковая электроника и биомедицина, выйдя за рамки первоначального применения в конструкционных элементах. В аэрокосмической отрасли он используется в качестве теплозащитных и волнопропускающих материалов, поддерживая разработку гиперзвуковых летательных аппаратов. В машиностроении высокопроизводительные керамические подшипники и режущие инструменты повышают максимальную производительность и надежность оборудования. В полупроводниковой промышленности подложки из нитрида кремния с высокой теплопроводностью предлагают ключевое решение проблемы отвода тепла в устройствах следующего поколения. В биомедицине его превосходная биосовместимость и антибактериальные свойства дают новую надежду на восстановление костей и зубные имплантаты. Однако дальнейшее развитие керамики из нитрида кремния по-прежнему сталкивается с проблемами: во-первых, необходимо усовершенствовать технологию получения высокопроизводительных и недорогих порошков нитрида кремния (особенно метод пиролиза имида кремния), чтобы снизить зависимость от импортных высококачественных порошков [4, 6]. Во-вторых, точное формование и недорогое производство компонентов сложной формы (таких как персонализированные медицинские имплантаты и сложные канальные структуры) ожидают дальнейшего совершенствования и применения технологий производства, близких к конечной форме, таких как аддитивное производство (3D-печать) [10, 5, 7]. Наконец, по-прежнему требуется более глубокое понимание механизмов деградации характеристик и прогнозирования срока службы в экстремальных условиях (таких как сверхвысокие температуры, сильная коррозия и длительные нагрузки). В будущем, с развитием науки о подготовке материалов, углублением междисциплинарной интеграции и продвижением концепции проектирования "интеграции структуры и функции", керамика из нитрида кремния, несомненно, проявит себя как "универсальный чемпион" на более широкой арене, внеся больший вклад в технологический прогресс и промышленную модернизацию.