Кремний образует с азотом только одно соединение — нитрид кремния Si3N 4 в виде двух гексагональных модификаций: α-Si3N4 c плотностью 3,169 г/см3 и β-Si3N4 с плотностью 3,192 г/см3. В зависимости от содержания примесей или добавок, состава и давления газовой среды, а также температуры возможен переход из одной модификации в другую, чаще из α в β.
. Более низкий, чем у SiC, ТКЛР в сочетании с высокой долей ковалентности и прочностью химических связей обеспечивает керамике на основе Si3N4 более высокую термостойкость. Теоретически по комплексу термомеханических свойств керамика на основе Si3N4 наиболее подходит для применения в машиностроении.
Нитрид кремния является хорошим диэлектриком. Его нельзя обрабатывать электроискровым методом. Чтобы исключить этот недостаток, в керамику на основе нитрида кремния можно ввести достаточное для образования непрерывной фазы количество электропроводящей добавки, например TiC, SiC, TiN и т. д.
Нитрид кремния обладает устойчивостью к кислотам, парам воды, многим расплавленным металлам: Al, Pb, Zn, Sn и др., достаточно устойчив к окислению при умеренных температурах. Это позволяет применять его в качестве основной фазы при изготовлении резцов для обработки нержавеющих сталей, цветных металлов и их сплавов. Они обеспечивают скорость резания до 1000 м/мин, не содержат дефицитных компонентов, менее изнашиваются и по комплексу свойств превосходят резцы на основе WC. Экономия затрат от замены резцов на основе WC на резцы из SiзN4 составляет 25-70%.
Шариковые подшипники из нитрида кремния успешно используют при температуре до 800°С, в то время как металлические — не выше 120°С. Хорошие электроизолирующие свойства позволяют использовать нитрид кремния для изготовления свечей зажигания. Малая истинная плотность SiзN4 является дополнительным преимуществом при использовании керамики в двигателях и особенно в авиационной и ракетно-космической технике.
Для синтеза высокодисперсных порошков SiзN4 используют те же методы, что и для других бескислородных соединений, например, SiC.
Керамику на основе SiзN4 cпекают различными методами: реакционным спеканием, горячим прессованием, их комбинацией.
Реакционное спекание без добавок обычно не позволяет получать изделия с относительной плотностью >85%. Добавки, особенно при использовании горячего изотермического прессования, позволяют получать плотную и высокопрочную керамику, но ее прочность при высоких температурах резко падает при появлении жидкой фазы. В качестве добавок наиболее часто используют оксиды щелочно-земельных и редкоземельных металлов. Наиболее широко применяют добавки: MgO, Y2O3, СеO2. Обычно материалы с наиболее дешевой добавкой MgO имеют более низкую прочность при комнатной и высоких температурах, что обусловлено более низкой прочностью силикатов магния, образующихся на границах кристаллов. Хорошие результаты дают комплексные добавки: ЗY2Оз·5А120з; ВеО·Аl2Оз и т. п. Плотную керамику без добавок получают также при использовании реакционного спекания порошка кремния под высоким и меняющимся по определенному закону давлением азота.
