新一代无机非金属材料

新一代无机非金属材料

材料同信息工程、能源工程和生物工程并列为当代新技术革命的支柱。近三四十年，在传统硅酸盐陶瓷的基础上，出现了新一代无机非金属材料，叫氧氮化硅铝或硅铝氧氮，即赛伦（Sialon）。

赛伦的化学通式为Si_6－xAl_xO_xN_8－x。在1700℃，x的极限值为4.2，在1400℃时，极限值为2.0，赛伦可以采用常压烧结或热压工艺制备，在氮化硅中添加氧化铝，用氧原子取代一部分氮，用铝原子取代一部分硅，生成均匀的固溶体并保持电中性。赛伦中（Si，Al）（O，N）₄四面体结构单元构成，其构成方式和（Si，Al）O₄四面体构成硅酸盐的方式类似。

赛伦以耐高温、高强度、超硬度、耐磨损、抗腐蚀等性能为主要特征，因此在冶金、机械、汽车、光学、医学等领域有重要应用。

赛伦具有高硬度、韧性、热稳定性和低的热膨胀系数（好的抗热冲击性），以及对有色金属无黏合现象等特点，是新型的刀具材料。这种材料制作的刀具没有冷却液也可工作，比起硬质合金来具有切削速度高、寿命长等特点，被广泛用作钻头、丝锥和滚刀，用于加工铸铁、淬火钢、镍基高温合金和钛合金等。例如，赛伦刀具以1525米/分进行高速切削，刀具寿命为硬质合金刀具的10～12倍，金属切除率高于硬质合金刀具的18倍。

利用赛伦耐磨、耐腐蚀，以及摩擦系数小，具有自润滑性（摩擦表面微量分解形成薄的气膜）的特性，可用做各种机械上的耐磨部件。如轴承，其工作温度可达1200℃，比普通合金轴承的工作温度提高2.5倍，而工作速度是普通轴承的10倍，还可免除润滑系统，大大减少对铬、镍、锰等原料的依赖。又如用于制作水泵、砂浆泵、带腐蚀性的化工泵及有粉尘的风机中的耐磨、耐腐蚀部件和密封件，其性能优越于其他材料。特别当赛伦－赛伦对磨时，可在很高速度和压力下运转，再例如，焊接定位梢在工作时要承受很大的热应力和机械应力。其他材料的定位梢寿命为7000次，而赛伦做的定位梢寿命达500万次。此外，赛伦还用做钢的水平连注机上的分流环、晶体生长器具、坩埚、高炉炉下部内衬、铜铝合金管拉拔芯棒、压铸模具等。

赛伦具有耐高温、高强度性能，而且比一般金属材料轻得多，所以可以用它代替金属制造发动机部件。例如，用赛伦制的汽车内燃机挺杆，运行6万公里，只磨损0.76微米。利用赛伦很好的电绝缘性和耐急冷急热性，可以用来做电热塞，用它进行汽车点火，使发动机启动时间从原来的6～7秒缩短到1～2秒，还可以不用担心寒冷天气汽车启动的困难。1991年我国的陶瓷发动机汽车从上海到北京试开了一个来回，试用情况表明，这种发动机不必水冷却并能大量节约汽油。

赛伦可制成透明陶瓷，用作大功率高压钠灯的灯管，它在高温下与钠蒸气不发生作用，又能把95%以上的可见光传送出来。这种灯是目前世界上发光效率最高的灯。在相同功率下，一只高压钠灯要比两只水银灯或10只普通白炽灯发出的光还要亮，寿命比普通白炽灯高20倍，可使用2万小时以上，是目前寿命最长的灯。

赛伦可用于人体硬组织的修复，使其功能得以恢复。与其他材料相比，赛伦和骨组织的化学组成比较接近，生物相容性好，在体内的化学稳定性、生物力学相容性和组织亲和性等也较好。在临床医学上，用来修复人体的那些失去或多病的部位。例如，髋骨、膝关节、指关节、牙根、脊椎骨联合等。