氮化镁的制备及应用

背景及概述^[1][2]

氮化镁的化学式Mg₃N₂，绿黄色粉末或块状物，相对密度为2.712，800℃时分解，在真空中700℃时升华，氮化镁为离子型化合物，在水中迅速水解。溶于酸，不溶于乙醇：

氮化镁的用途十分广泛。氮化镁在制备高硬度、高热导、耐磨、耐腐蚀、耐高温的新型陶瓷材料氮化硼、氮化硅的固相反应中是不可缺少的烧结助剂；氮化镁在核燃料的回收、镁合金熔体的净化和在生成 hBN 反应中的催化等方面都有重要的作用。另外Mg₃N₂作为添加剂可以有效的脱硫增矾，从而提高钢材的密度、强度、拉力及承受力。

制备^[2]

目前氮化镁的制备主要方法有镁粉直接与氮气反应法、镁在氮等离子流中与氮反应法、在氮气氛下镁线圈爆炸法、低压化学气相成积法、自蔓延高温合成法、纳米氮化镁合成法等；最近G. Soto等人采用脉冲激光淀积的方法，在分子氮的环境中在 Si 衬底上制备同不同 Mg∶N 配比的无定型的氮化镁薄膜。这些方法因或成本高、或工艺流程长、或设备操作复杂、或氮化镁的产率比较低等缺点，而限制了其工业化的生产。

虽然镁粉直接与氮气反应有工业价值，但氮化镁粉末的生产需要较高的反应温度和较长的反应时间，且颗粒的形状不完整又容易结块，达不到工业质量要求。由于 NH₃比 N₂更易分解成为带有断键的N^-，并且分解出的H₂对MgO 的形成有抑制作用，故可以用氨气作为氮源。陈发勤等以液氨为氮源，采用镁粉直接氮化法制备氮化镁粉末，可以得出以下结论：通过热力学分析可知液氨比氮气更容易与镁粉反应而制备氮化镁；在600℃、氨气气氛下保温1h，然后升温到800℃，氨气流量500ml/min，氮化时间1h，可以制备出纯度高、粉末粒子均匀的高质量氮化镁粉末 。

应用 ^[3]

镁及镁合金是迄今在工程应用中最轻的金属结构材料，近年来变形镁合金的塑性 成形技术已经成为世界镁工业的重要研究领域，镁基合金在能源短缺的未来将占有更加重要的地位。目前，镁基合金在航空航天、汽车、电子产品、建筑工业以及日常生活中都是不可或缺的重要材料。但是镁基合金在应用广泛的同时也存在着自身的弱点，如硬度、强度较低，同时熔点也比钢等常用金属低。如何提高镁合金的塑性成形能力已成为镁合金研究的 热点，因此，寻求有良好的硬度、强度的同时，又具有高的比强度和比刚度，具有重要的学术与工业应用价值。

近年来随着开发高端其产、机电产品的要求，对镁基合金的力学性能的要 求需要进一步提高，采用颗粒增强镁基合金材料能够同时发挥镁基合金基体与增强相的优 势，显著提高镁基合金的强度、弹性模量、硬度及耐磨性。同时颗粒增强镁基合金材料因其 成本低廉，强度、刚度高，在先进制造等现代工业化生产领域有广泛的应用前景。

基于上述目的，采用在镁基合金中添加无毒、无污染的氮化镁-纳米管颗粒来增强镁基合金材料的强度，获得良好的韧性和硬度，同时，导电和导热性能得到有效提高。基体材料镁基合金的化学成分及质量分数为：镁Mg：90-98，剩余成份为铝Al。针对镁基合金性能提高的专利，我国现有的镁基合金在专利200880017616.2中，通过添加铟、钪、钇等贵金属和2-3%的稀土金属，熔炼完毕后试样晶粒尺寸小于或等于3微米，该发明添加贵金属元素含量较多=高，制造成本高昂。在专利201210324168.9 中，选择具有提高Mg合金非晶化形成能力的（Er,Cu,Ag）作为合金化元素，选用普通熔铸和热挤压方法制备该合金材料，再经过熔铸和挤压获得镁基合金。上述合金均有稀有金属的添加，虽然能提高镁基合金材料 的韧性、硬度和耐磨性，但是增加了镁基合金的熔炼成本，同时，要达到更高的强度和耐磨性，需要进一步进行深入研究。

CN201610474622.7提出了一种加工工艺稳定、生产成本低廉、无污染排放、可在常规熔炼条件下组织生产的氮化镁-碳纳米管颗粒增强镁基合金材料的制备方法， 较传统的镁基合金材料的强度、韧性、硬度和耐磨性大幅提升。因此，通过添加氮化镁-碳纳米管颗粒反应增强镁基合金材料力学性能的目的。

主要参考资料

[1] 中国中学教学百科全书·化学卷

[2]陈发勤,谭敦强,李建国,陈强.气流法制备氮化镁工艺研究[J].粉末冶金工业,2010,20(04):15-18.

[3]CN201610474622.7 一种氮化镁?碳纳米管颗粒增强镁基合金材料的制备方法