氮化硅主要应用在哪些领域

【背景及概述】^[1][2]

氮化硅有两种晶体， 即低温型α-氮化硅和高温型β-氮化硅，及一种无定型。当粉状的 Si₃N₄在1200℃加热超过4h，就形成 α-型，在1450℃加热2h，就形成β-型。α-型为六方晶系结晶；β-型为立方晶系结晶。纯者为无色，但通常所见为含微量杂质者，呈灰色、灰褐色或黑色。相对分子质量140.29。相对密度 3.44。本品不溶于水、酸、碱。不与水反应；但在浓强酸中可水解，生成铵盐和二氧化硅，与稀酸不起作用；溶于氢氟酸；浓强碱液可慢慢腐蚀本品； 熔融强碱可使本品转变为硅酸盐和氨；在600℃ 以上能与过渡金属氧化物、氧化铅、氧化锌和二氧化锡反应，并放出一氧化氮和二氧化氮。常压下1850℃～1900℃分解为氮及硅。氮化硅导热系数为17.44～23.26W/(m·℃) (0～1000℃)。比热容0.15～0.31kJ/(kg·℃) (0～1000℃)。线膨胀系数(3.0～3.2)×10^-6/℃ (0～1000℃)。压缩强度4413.2MPa。弯曲强度 78.456MPa。与碳化硅相比，氮化硅耐热性稍低，而韧性稍高，碳化硅可用于高温，本品用于较低温度，一般使用温度为1200～1300℃。是共价化合物，六方晶系，有α-和β -Si₃N₄两种晶形。分子量140.29。于1 900℃升华分解。氮化硅的烧结体用作气体透平、高温引擎材料、汽车部件、柴油机部件、金属切削工具；可以制备坩埚、喷嘴、电绝缘材料、精密陶瓷、玻璃等；也用作催化剂载体；本品特点是重量轻、耐热性和耐磨性好。

【应用】^[2][3]

氮化硅陶瓷具有高强度、高弹性模量、耐磨、耐氧化、耐腐蚀、抗热冲击等优良性能。除已成为金属切削工具的重要材料外，在许多领域得到应用并有许多潜在的用途。在陶瓷发动机中，用来制备定子、转子、涡形管等部件；氮化硅膜用作微电子技术电绝缘层；氮化硅晶须用于增强氧化铝、碳化硅及玻璃陶瓷基和铝基复合材料。在冶金、化学、机械、电子和军事工业上有广泛的应用。氮化硅陶瓷的烧成可采用硅粉预先成型，然后在通氮的情况下烧结而成(反应烧结法)，是使氮化硅的形成和烧结同时完成；或采用硅粉氮化反应合成氮化硅粉后热压而成 (烧结法)。氮化硅膜是由氯化硅-氨 -氢等体系在一定温度下用气相沉积法形成，或采用射频溅射法形成。

此外，纳米氮化硅具有很高的化学稳定性， 耐高温性能， 良好的机械性能及优异的介电性能（高介电常数， 高介电强度）， 在许多领域有着广泛的应用. 作为一种重要的陶瓷材料， 目前对它的表面改性大多是采用烧结助剂包覆氮化硅粉粒， 提高烧结助剂在氮化硅浆料中的分散程度及浆料的流动性，从而提高陶瓷制品烧结密度和性能稳定性 。

【制备】^[2]

①纯硅用氮气或氨气在1500℃下直接氮化，可制得氮化硅。

②二亚氨基硅的热分解，可制得α- 型氮化硅。

③硅氮烷的热分解。

④高纯二氧化硅在氮气流中用碳还原。

⑤ 气相合成。高纯四氯化硅与氨在高温下，进行气相反应。

【主要参考资料】

[1] 实用精细化工辞典

[2] 简明精细化工大辞典

[3] 王君， 徐国财， 吉小利， 等. 纳米氮化硅粉粒的表面改性研究[D]. ， 2003.