隨著機械制造業向高精度、高速度方向發展，軸承應用范圍越來越廣，對軸承的性能要求也越來越高，尤其是在一些特殊工作環境下，金屬軸承無法適應需求，甚至完全無法工作。而陶瓷材料因具有密度小、彈性模量高、線膨脹系數小、耐磨、耐高溫、耐腐蝕等優良性能，成為高速制造精密軸承的理想材料。

一、氮化硅陶瓷的優點和特性

雖然氮化硅在工業陶瓷中不是最硬的，韌性也不是最高的，但是在要求高性能的軸承應用中，氮化硅被認為具有最佳的機械物理綜合特性。下面來看一下，氮化硅與其它軸承材料相比的優異之處。

5種軸承材料性能對比

耐熱性

一般鋼制的軸承使用溫度超過120℃時，硬度就會降低，滾動壽命也會下降。而氮化硅具有很好的溫度特性，特別適用于高溫環境。

離心力

氮化硅的密度約為3.24×103kg/m3.而軸承鋼的密度約為7.8×103kg/m3.僅為軸承鋼密度的40%左右，所以當滾動體使用軸承時，軸承在高速旋轉時能夠抑制因離心力作用引起的滾動體載荷的增加。

線膨脹系數

氮化硅的線膨脹系數大約是軸承鋼的1/4.所以隨溫度變化的尺寸變化量小，故有益于在溫度變化大的環境中使用。

硬度、彈性系數、泊松比

因為氮化硅的彈性系數大約是軸承鋼的1.5倍，所以相對載荷的彈性變形小，相對載荷的鋼性較高。

耐腐蝕、無磁性、絕緣性

化工機械設備、食品、海洋等部門使用的機器，采用鋼制軸承時，其腐蝕就是個問題。在強磁環境中，使用鋼制軸承，從軸承本身磨損下來的微粉被吸附在滾動體和滾動面之間，這將成為軸承提早剝落損壞和噪聲增大的主要原因。

二、氮化硅陶瓷軸承的制備

氮化硅陶瓷軸承制備過程

氮化硅陶瓷粉末的制取

軸承零件用氮化硅粉末要求具有以下重要特性：純度高;高均勻而細的顆粒;α相含量高。最符合此要求的制備氮化硅粉末的方法為碳熱還原氮化法，其反應式為：3SiO2+6C+2N2=Si3N4+6CO，此種方法得到的粉末含金屬雜質較少，純度高，顆粒細，α相含量高，符合軸承零件用材的要求。

氮化硅陶瓷軸承相關部件成型

氮化硅陶瓷軸承相關部件的制備方法很多，如反應燒結法、熱壓燒結法、無壓燒結法、二次反應燒結法。為了獲得完全致密的氮化硅材料，采用熱等靜壓法比較理想。

氮化硅陶瓷軸承相關部件加工

氮化硅陶瓷軸承相關部件的加工基本與軸承鋼材部件加工相似，磨削機理基本相同。但是由于氮化硅的各種性能與鋼材的性能存有較大的差異，所以在機械加工中磨削工具、加工系數、研磨混合劑等均有相當大的差別，各工序對于磨料的粒度、種類、形狀、數量、強度、破碎特性、磨損特性等要求均有所不同。目前使用的磨料主要有碳化硅、碳化硼、金剛石粉等。

氮化硅陶瓷軸承的裝配

一般滾動軸承是由四種主要零件組成的，即外圈、內圈、滾動體及保持架。由于滾動軸承有十大類之多，不同類型的軸承采用的保持架形式各不相同，因此軸承的裝配方式也不盡相同。

氮化硅陶瓷軸承作為一種重要的機械基礎件，由于其具有其他軸承所無法比擬的優良特性，在新材料世界獨領風騷。近年來，其在航空航天、航海、核工業、石油、化工、輕紡工業、機械、冶金、電力、食品、機車、地鐵、高速機床及科研國防軍事技術等領域需要在高溫、高速、深冷、易燃、易爆、強腐蝕、真空、電絕緣、無磁、干摩擦等特殊工況下，氮化硅陶瓷軸承不可缺少的替代作用正在被人們逐漸地認識。

氮化硅陶瓷基板

隨著高性能電子設備及其組件的小型化，散熱已經成為影響性能和可靠性的關鍵因素。因為高熱通量會導致性能下降和壽命縮短，在各種散熱技術中，散熱器系統對于小型化是有用且方便的，因為它可以成為微電子封裝系統的一個組成部分。

眾所周知，在半導體器件運行產生的熱量是導致半導體器件失效的關鍵因素，而電絕緣基板的導熱性是整個半導體器件散熱的關鍵。該散熱器由金屬電路層和陶瓷基板組成，如氮化鋁、氮化硅、碳化硅和氧化鋁。在這些陶瓷基板中，氮化硅被認為是有前途的，因為它具有優異的導熱性(60-90w/mk)、高機械強度(650-850 Mpa)和低膨脹系數。其實氮化硅陶瓷基板在基板上沉積，通常通過直接鍵合銅(DBC)和直接鍍銅(DPC)工藝進行。DBC通過在高溫下沉積的金屬膜和基板之間的機械互鎖來實現增強的附著力，而DPC通過真空沉積形成種子層來實現增強的附著力。

此外，由于顛簸和振動等復雜的機械環境，也需要具有一定機械可靠性的基板材料。氮化硅陶瓷基板各方面比較均衡，是綜合性能最好的結構陶瓷材料。因此，氮化硅在電子器件陶瓷基板制造領域具有很強的競爭力。

在過去，電路基板是由分立元件或集成電路與分立元件組合而成的平面材料，以滿足整體電路功能要求。它只需要電絕緣和導電性，進入智能信息時代后，電力電子設備也要求能夠對電能進行轉換和控制，這大大提高了設備的電氣控制和功率轉換性能要求以及運行功耗。相應地，普通基板已經不能滿足降低復雜功率器件熱阻、控制工作溫度、保證可靠性的高要求，必須更換性能更好的陶瓷基板。

根據電子器件對陶瓷基板的性能要求，基板材料應具備以下性能：

1、良好的絕緣性和抗電擊穿性;

2、導熱系數高：導熱系數直接影響半導體的工作條件和使用壽命，散熱不良造成的溫度場分布不均勻也會大大增加電子器件的噪聲;

3、熱膨脹系數與封裝中使用的其他材料相匹配;

4、高頻特性好，低介電常數、低介電損耗;

5、表面光滑，厚度均勻，便于在基板表面印制電路，保證印制電路的厚度均勻;

目前應用最廣泛的陶瓷基板材料主要是氧化鋁和氮化鋁。氮化硅與其性能相比如何?下表是三種陶瓷基板材料具有明顯的優勢，尤其是氮化硅陶瓷基板材料在高溫條件下的耐高溫性能、對金屬的化學惰性以及超高的硬度和斷裂韌性等機械性能。

氮化硅既然這么優秀，為什么市場上應用還少，它的發展機會在哪里?

其實這三種材料各有優缺點。例如氧化鋁雖然導熱性差，跟不上大功率半導體的發展趨勢，但其制造工藝成熟且成本低廉，在中低端領域仍有較大的需求。氮化鋁的導熱性最好與半導體材料有很好的匹配性?？梢杂糜诟叨诵袠I，但機械性能較差，影響半導體器件的壽命，使用成本較高。氮化硅在綜合性能方面表現最好，但進入門檻較高。

現在，國內很多科研院所和企業都在研究，但技術難度大，生產成本高，市場小，尚未出現大規模應用。這也是很多企業還在觀望，還沒有下定決心加大投入的原因。但是現在情況不同了，因為世界已經進入第三代半導體發展的關鍵時期，氮化硅陶瓷基板在美國和日本都有成熟的產品，中國在這方面還有很長的路要走。

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