反應(yīng)燒結(jié)指將原料成型體在一定溫度下通過(guò)固相，液相和氣相相互間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)進(jìn)行致密化和規(guī)定組分的合成，得到預(yù)定的燒結(jié)體的過(guò)程。其過(guò)程為：將高純度硅粉與粘結(jié)劑混合后成型，然后放入N₂氣氛或浸入熔融的硅中，使坯體中的硅或氮?dú)饣蛉廴诠璺磻?yīng)來(lái)制備氮化硅制品。

       反應(yīng)燒結(jié)是初始出現(xiàn)的氮化硅制備工藝，初始生產(chǎn)的反應(yīng)燒結(jié)氮化硅一般會(huì)含有25%左右的氣孔隙，致密化程度不夠高，因而很難體現(xiàn)氮化硅材料的高強(qiáng)度和硬度等性能。但即便如此，反應(yīng)結(jié)合氮化硅依舊具備足夠高的耐高溫和抗侵蝕性能，因此常見于耐火材料領(lǐng)域，主要用來(lái)制備熱電偶保護(hù)管、熔煉金屬的坩堝和火箭的噴嘴等。

氮化硅熱電偶保護(hù)管及坩堝

2.熱壓燒結(jié)法

       為了彌補(bǔ)反應(yīng)燒結(jié)法的缺陷，后來(lái)的研究者們將氮化硅粉末加入各種氧化物（如MgO、Al₂O₃、CeO₂等）作為燒結(jié)添加劑，在一定壓強(qiáng)以上和1600℃以上的溫度下進(jìn)行燒結(jié)，這種工藝后來(lái)被稱為熱壓燒結(jié)。

熱壓燒結(jié)法的優(yōu)點(diǎn)是制備的Si₃N₄陶瓷力學(xué)性能比其它工藝燒結(jié)的Si₃N₄優(yōu)異，具有較高的硬度、強(qiáng)度和韌性，常用來(lái)生產(chǎn)陶瓷刀具。陶瓷刀具材料是很有前景的高速切削刀具材料，在生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用，由于氮化硅具有非常高的耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，因此可在高速條件下長(zhǎng)時(shí)間切削加工。但此方法也有缺點(diǎn)，制備成本高、所需要的燒結(jié)設(shè)備較復(fù)雜，同時(shí)在燒結(jié)過(guò)程中單軸加壓使得樣品性能存在各向異性。

       1976年，Terwilliger和Lange在西屋實(shí)驗(yàn)室的偶然發(fā)現(xiàn)，氮化硅粉末無(wú)需施加機(jī)械壓力就可以燒結(jié)，因此他們?cè)诟哂谡囟鹊臈l件下對(duì)引入了燒結(jié)助劑的氮化硅粉末進(jìn)行熱壓實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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。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。

       目前，無(wú)壓燒結(jié)法是常用的一種燒結(jié)方法，它是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下以α-Si₃N₄為原料，加入一定量的燒結(jié)助劑進(jìn)行液相燒結(jié)，在燒結(jié)過(guò)程中α-Si₃N₄轉(zhuǎn)化成β-Si₃N₄，氮化硅晶粒的結(jié)構(gòu)由等軸狀晶轉(zhuǎn)化成為柱狀晶，樣品的性能得到提高。無(wú)壓燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)是制備過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，可獲得性能優(yōu)良的氮化硅陶瓷，其缺點(diǎn)是燒結(jié)后樣品收縮率較大，能達(dá)到20%，可能會(huì)導(dǎo)致制品開裂變形。利用無(wú)壓燒結(jié)氮化硅陶瓷耐磨、耐熱和耐腐蝕等性能，可大量應(yīng)用于制備密封環(huán)、冶金工業(yè)中的輥環(huán)、承載融熔金屬的器皿、溜槽等。

       在后來(lái)的研究中，為了大幅度提高了材料的高溫性能，科學(xué)家以Y₂O₃取代MgO做燒結(jié)助劑，但Y₂O₃作為助劑促進(jìn)液相燒結(jié)的效果不如MgO，因此需要進(jìn)一步提高燒結(jié)溫度。不過(guò)溫度的提高會(huì)使得氮化硅高溫分解更顯著，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。

氣壓燒結(jié)法的常用條件是在1~10MPa壓強(qiáng)下，燒結(jié)溫度控制在2000℃左右，略高于其它燒結(jié)方法，在添加燒結(jié)助劑較少的情況下，也能促進(jìn)Si₃N₄晶粒生長(zhǎng)，得到的樣品是長(zhǎng)柱狀晶粒陶瓷，致密度大且強(qiáng)度高。氣壓燒結(jié)制備的氮化硅強(qiáng)度、韌性高且耐磨，同時(shí)各種復(fù)雜形狀的制品都能被成型燒結(jié)，因此相較其他工藝制備出的氮化硅用途更加廣泛一點(diǎn)。

       除了已述的熱電偶保護(hù)管、熔煉金屬坩堝、火箭噴嘴、陶瓷刀具、軸承球、密封環(huán)、冶金工業(yè)中的輥環(huán)和承載融熔金屬器皿等，氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷在陶瓷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件中的應(yīng)用比較廣泛，如發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦流室銀塊、挺柱、搖臂銀塊、電熱塞、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子及氣門等；另外它在燃?xì)廨啓C(jī)中的高溫高應(yīng)力部件中也應(yīng)用很多，如定葉片、動(dòng)葉片、蝸殼等。

                                                          (a)氮化硅渦輪增壓轉(zhuǎn)子；                                 (b)燒結(jié)氮化硅組件

   5.熱等靜壓燒結(jié)法

      氮化硅材料晶間相被認(rèn)為是影響高溫下行為的主要因素。氮化硅在高溫過(guò)程中失效是晶間相和三相連接點(diǎn)中產(chǎn)生。因此，如何不引入或引入極少的燒結(jié)助劑，制備具有優(yōu)良高溫性能的氮化硅陶瓷材料成為重大研究方向，熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)給出了解決這一難題好方案。

       熱等靜壓燒結(jié)是指通過(guò)高溫和各向均衡的高壓氣體的共同作用，使陶瓷粉末、坯體或預(yù)燒體達(dá)到燒結(jié)致密化的工藝方法。它結(jié)合了熱壓和無(wú)壓燒結(jié)兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，制備得到的氮化硅陶瓷致密度很高且形狀復(fù)雜的產(chǎn)品也能制備，但由于設(shè)備昂貴，生產(chǎn)工藝復(fù)雜和技術(shù)要求高，目前主要用于制備氮化硅軸承球等產(chǎn)品，尚沒有無(wú)壓燒結(jié)和氣壓燒結(jié)等工藝應(yīng)用廣泛。

氮化硅軸承球

       不過(guò)由于熱等靜壓燒結(jié)氮化硅致密程度很高，耐磨損和抗壓性能極其優(yōu)異，在一些對(duì)產(chǎn)品性能要求較高的領(lǐng)域，熱等靜壓燒結(jié)氮化硅陶瓷仍然具有大量的應(yīng)用前景，例如一種應(yīng)用在紅外探測(cè)器上的微型軸承就是運(yùn)用該燒結(jié)方法制備的。