氮化硅的应用

背景及概述^[1-3]

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。1285℃时本品与二氮化三钙发生下列反应：

Ca₃N₂+Si₃N₄→3CaSiN₂

本品导热系数为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，本品耐热性稍低，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℃。

用途

本品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。

氮化硅是新材料领域中一颗耀眼的明珠，它具有非常显著的耐磨损、耐高温、抗腐 蚀、抗氧化、电绝缘等性能。高纯高α相氮化硅粉体性能优异，应用范围广泛，目前主要应用 于精密陶瓷等高性能陶瓷行业和光伏产业。α相氮化硅制得的陶瓷具有更高的密度、强度和硬度，高纯氮化硅陶瓷性能更为优异；光伏产业中要求α相含量达到95% 以上，高纯度氮化硅粉体使得太阳能电池的光电转换的效率更高。

主要应用范围：

（1）精密陶瓷高性能氮化硅陶瓷具有优异的机械性能、热学性能及化学稳定性，可以承受金属或高分子材料难以承受的严酷工作环境。高纯高α相氮化硅粉体主要应用于高速轴承、高温发热点火器、航天器反雷达罩等精密陶瓷材料；

（2）光伏产业 太阳能是最被看好的清洁能源，光伏发电是最主要的太阳能利用途径。光伏发电的最基本部件是多晶硅，高纯高α相氮化硅粉体是多晶硅铸锭作业的重要材料，可以大幅度提高太阳能电池的效率，同时降低生产成本。

制备^{[3] [4]}

一、一种高纯高α相氮化硅粉体的制备方法，依次按照以下步骤进行：

（1）选用99.999%的高纯硅粉作为原料，通过粒子高速对撞对其表面进行活化处理；

（2）由高纯硅粉与氮化硅粉，混合均匀，压块，装炉，其中，高纯硅粉的粒径≤12um，氮化硅粉的粒径≤4um，氮化硅粉的纯度为99.999%，高纯硅粉与氮化硅粉的比例为100：8；

（3）抽真空达到1.0×10^-2 Pa；

（4）向炉内通入氮气和氢气，其中，氮气与氢气的体积比为100：12；

（5）优化温度曲线，在1100~1400℃长时间脉冲点式增温，更精确的控制反应温度和速度；

（6）多级净化纯化贯穿工艺流程，使生产过程中引入的杂质得到有效清除，从而获得高纯高α相氮化硅粉体。

二、一种无添加剂低压制备高纯氮化硅的方法。包括以下步骤：(1)对粒度为50~200目的粗硅粉球磨10h；(2)在细硅粉中加入10~40%氮化铝稀释剂并球磨混匀；(3)将混合粉体置于氮化炉中，在0.05~0.25MPa的微正压下直接氮化，氮化温度为1200~1400℃，保温4~20h。反应完成后，得到纯度98.7~99.9的高纯氮化硅粉体。本方法不使用添加剂，无污染，无毒害，成本低；采用低压制备，安全系数高，对设备要求较低；该工艺简单可控，制备的氮化硅纯度高，适合工业化生产。

应用^[4]

多孔氮化硅陶瓷材料作为一种多孔材料，是目前综合性能的多孔陶瓷材料之一，它不仅具有多孔陶瓷比表面积大、孔径可控等特点，还具备着氮化硅材料高强度、耐高温、耐酸碱等优点，在传统工业领域、能源领域和环保领域都有广泛应用，因此关于多孔氮化硅陶瓷的制备方法成为目前研究的热点之一。

一种制备多孔氮化硅陶瓷的方法，所述方法包括：

（1）将木屑清洗烘干后球磨，得到粒径更小的木屑粉末；

（2）配料：将步骤（1）得到的木屑粉、氮化硅粉、烧结助剂按配方质量比称量；

（3）球磨：将称量好的配料加入球磨罐中，得到混合均匀的浆料；

（4）造粒：将步骤（3）得到的浆料烘干后，放入研钵中磨细过筛，加入一定量浓度为5%的PVA溶液，再次研磨，得到造粒粉；

（5）成型：将步骤（4）得到的造粒粉模压成型，干燥后得到多孔氮化硅陶瓷坯体；

（6）烧结：采用常压烧结法烧结步骤（5）得到的坯体，即得所述的多孔氮化硅陶瓷。

图1为多孔氮化硅陶瓷的宏观扫面图；

图2为多孔氮化硅陶瓷的放大扫描图。

主要参考资料

[1] 实用精细化工辞典

[2] CN201610724383.6 一种高纯高α相氮化硅粉体的制备方法

[3] CN201810586769.4 一种制备多孔氮化硅陶瓷的方法

[4] CN201610611915.5一种无添加剂低压制备高纯氮化硅的方法