氮化硅的制備性質(zhì)及應(yīng)用

關(guān)于氮化硅的制備性質(zhì)及應(yīng)用第1頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三2提綱·氮化硅的物理性質(zhì)·氮化硅的化學(xué)結(jié)構(gòu)·氮化硅的性能·氮化硅的制備方法·氮化硅的應(yīng)用·國內(nèi)形勢·前景2第2頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三3呈灰色、白色或灰白色六方晶系，晶體呈六面體不溶于水，溶于氫氟酸莫氏硬度：9~9.5維氏硬度：約2200顯微硬度：32630MPa熔點：1900℃（加壓下）常壓下1900℃分解比熱容：0.71J/(g·K)熱導(dǎo)率：16.7W/(m·K)比體積電阻：20℃時1.4×105·m

500℃時為4×108·m耐壓強(qiáng)度：490MPa（反應(yīng)燒結(jié)的）抗彎強(qiáng)度：147MPa3第3頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三4其共價鍵長較短，

Si3N4成鍵電子數(shù)目多，原子間排列的方向性強(qiáng)，相鄰原子間相互作用大。存在兩種由[Si-N4]四面體結(jié)構(gòu)以不同的堆砌方式堆砌而成的三維網(wǎng)絡(luò)晶形，一個是α-Si3N4，另一個是β-Si3N4。正是由于[Si-N4]四面體結(jié)構(gòu)單元的存在，Si3N4具有較高的硬度。4第4頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三5在工業(yè)性能上，

Si3N4材料表現(xiàn)出了較好的工藝性能。（1）機(jī)械強(qiáng)度高，硬度接近于剛玉，有自潤滑性耐磨；（2）熱穩(wěn)定性高，熱膨脹系數(shù)小，有良好的導(dǎo)熱性能；（3）化學(xué)性能穩(wěn)定，能經(jīng)受強(qiáng)烈的輻射照射等等。陶瓷球軸承高導(dǎo)熱性涂料陶瓷太陽能電池上的氮化硅膜窯具切削工具閥門5第5頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三6常用的制備方法有：硅粉直接氮化法碳熱還原法鹵化硅氨解法制備前驅(qū)體法化學(xué)復(fù)分解法原位合成法硅合金氨解法等6第6頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三7合成方法在1300-1400℃的條件下用單質(zhì)硅和氮氣直接進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)獲得3Si(s)+2

N2(g)→

Si3N4(s)7第7頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三8SiCl4(l)+6

NH3(g)→

Si(NH)2(s)+4

NH4Cl(s)

在0℃的條件下3

Si(NH)2(s)→

Si3N4(s)+

N2(g)+3

H2(g)

在1000

℃的條件下用碳熱還原反應(yīng)在1400-1450℃的氮氣氣氛下合成3

SiO2(s)+6C(s)+2

N2(g)→

Si3N4(s)+6CO亞氨基硅

8碳熱還原法鹵化硅氨解法第8頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三9電子級氮化硅薄膜通過化學(xué)氣相沉積法制造3SiH4(g)+4NH3(g)→Si3N4(s)+12H2(g)3SiCl4(g)+4NH3(g)→Si3N4(s)+12HCl(g)3SiCl2H2(g)+4NH3(g)→Si3N4(s)+6HCl(g)+6H2(g)9第9頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三10氮化硅陶瓷制品的生產(chǎn)方法反應(yīng)燒結(jié)法將硅粉或硅粉與氮化硅粉的混合料按一般陶瓷制品生產(chǎn)方法成型。然后在氮化爐內(nèi)，在1150~1200℃預(yù)氮化，獲得一定強(qiáng)度后，可在機(jī)床上進(jìn)行機(jī)械加工，接著在1350~1450℃進(jìn)一步氮化18~36h，直到全部變?yōu)榈铻橹?。制得產(chǎn)品尺寸精確，體積穩(wěn)定。熱壓燒結(jié)法將氮化硅粉與少量添加劑（如MgO、Al2O3、MgF2、AlF3或Fe2O3等），在19.6MPa以上的壓力和1600~1700℃條件下壓熱成型燒結(jié)。制得的產(chǎn)品比反應(yīng)燒結(jié)制得的產(chǎn)品密度高，性能好。10第10頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三1111應(yīng)用機(jī)械工業(yè)主泵柱塞軸承滾珠滾珠座圈陶瓷刀具

密封材料第11頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三12氮化硅熱電偶保護(hù)管12冶金工業(yè)升熱管脫硫噴嘴坩堝第12頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三1313其他領(lǐng)域第13頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三1414其他領(lǐng)域第14頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三1515其他領(lǐng)域第15頁，講稿共18頁，2023年5月2日，星期三16普遍存在如下不足：由大顆粒氮化硅、多相粉體燒結(jié)制備，脆性大、均勻性差、可靠性低、韌性和強(qiáng)度差而硅粉直接氮化法制備氮化硅粉體要求氮氣壓力必須足夠高，以實現(xiàn)Si

和N2

的充分接觸。一般燃燒合成Si3N4

的氮氣壓力低限是3MPa，但有時高達(dá)100MPa以上。采用高壓合成工藝不僅因設(shè)備投資高而且增加了生產(chǎn)成本，同時也給生產(chǎn)帶來了安全隱患。從國內(nèi)外氮化硅粉體的指標(biāo)測試和試燒結(jié)果看來，國內(nèi)最具代表性企業(yè)生產(chǎn)的Si3N4

平均顆粒在3微米左右，金屬雜質(zhì)含量較高，難以達(dá)到合格產(chǎn)品要求，而進(jìn)口的粉體為0.7微米以下。因此，為滿足市場需求，工業(yè)化生產(chǎn)超微、高質(zhì)量的氮化硅粉末是國內(nèi)氮化硅行業(yè)發(fā)展中亟待解決的難題，刻不容緩。關(guān)鍵在于對其合成工藝進(jìn)行改進(jìn)。國內(nèi)形勢16第16頁，講稿共18頁，202