12033-89-5/氮化硅的應用

背景及概述^[1-3]

有兩種晶體，即低溫型α-氮化硅和高溫型β-氮化硅，及一種無定型。當粉狀的 Si₃N₄在1200℃加熱超過4h，就形成 α-型，在1450℃加熱2h，就形成β-型。α-型為六方晶系結晶；β-型為立方晶系結晶。純者為無色，但通常所見為含微量雜質者，呈灰色、 灰褐色或黑色。相對分子質量140.29。相對密度 3.44。

本品不溶于水、酸、堿。不與水反應；但在濃強酸中可水解，生成銨鹽和二氧化硅，與稀酸不起作用；溶于氫氟酸；濃強堿液可慢慢腐蝕本品；熔融強堿可使本品轉變為硅酸鹽和氨；在600℃ 以上能與過渡金屬氧化物、氧化鉛、氧化鋅和二 氧化錫反應，并放出一氧化氮和二氧化氮。常壓下1850℃～1900℃分解為氮及硅。1285℃時本品與二氮化三鈣發生下列反應：

Ca₃N₂+Si₃N₄→3CaSiN₂

本品導熱系數為17.44～23.26W/(m·℃) (0～1000℃)。比熱容0.15～0.31kJ/(kg·℃) (0～1000℃)。線膨脹系數(3.0～3.2)×10^-6/℃ (0～1000℃)。壓縮強度4413.2MPa。彎曲強度 78.456MPa。與碳化硅相比，本品耐熱性稍低，而韌性稍高，碳化硅可用于高溫，本品用于較低溫度，一般使用溫度為1200～1300℃。

用途

本品的燒結體用作氣體透平、高溫引擎材料、汽車部件、柴油機部件、金屬切削工具；可以制備坩堝、噴嘴、電絕緣材料、精密陶瓷、玻璃等;也用作催化劑載體；本品最大特點是重量輕、耐熱性和耐磨性好。

氮化硅是新材料領域中一顆耀眼的明珠，它具有非常顯著的耐磨損、耐高溫、抗腐 蝕、抗氧化、電絕緣等性能。高純高α相氮化硅粉體性能優異，應用范圍廣泛，目前主要應用 于精密陶瓷等高性能陶瓷行業和光伏產業。α相氮化硅制得的陶瓷具有更高的密度、強度和硬度，高純氮化硅陶瓷性能更為優異；光伏產業中要求α相含量達到95% 以上，高純度氮化硅粉體使得太陽能電池的光電轉換的效率更高。

主要應用范圍：

（1）精密陶瓷高性能氮化硅陶瓷具有優異的機械性能、熱學性能及化學穩定性，可以承受金屬或高分子材料難以承受的嚴酷工作環境。高純高α相氮化硅粉體主要應用于高速軸承、高溫發熱點火器、航天器反雷達罩等精密陶瓷材料；

（2）光伏產業 太陽能是最被看好的清潔能源，光伏發電是最主要的太陽能利用途徑。光伏發電的最基本部件是多晶硅，高純高α相氮化硅粉體是多晶硅鑄錠作業的重要材料，可以大幅度提高太陽能電池的效率，同時降低生產成本。

制備^{[3] [4]}

一、一種高純高α相氮化硅粉體的制備方法，依次按照以下步驟進行：

（1）選用99.999%的高純硅粉作為原料，通過粒子高速對撞對其表面進行活化處理；

（2）由高純硅粉與氮化硅粉，混合均勻，壓塊，裝爐，其中，高純硅粉的粒徑≤12um，氮化硅粉的粒徑≤4um，氮化硅粉的純度為99.999%，高純硅粉與氮化硅粉的比例為100：8；

（3）抽真空達到1.0×10^-2Pa；

（4）向爐內通入氮氣和氫氣，其中，氮氣與氫氣的體積比為100：12；

（5）優化溫度曲線，在1100~1400℃長時間脈沖點式增溫，更精確的控制反應溫度和速度；

（6）多級凈化純化貫穿工藝流程，使生產過程中引入的雜質得到有效清除，從而獲得高純高α相氮化硅粉體。

二、一種無添加劑低壓制備高純氮化硅的方法。包括以下步驟：(1)對粒度為50~200目的粗硅粉球磨10h；(2)在細硅粉中加入10~40%氮化鋁稀釋劑并球磨混勻；(3)將混合粉體置于氮化爐中，在0.05~0.25MPa的微正壓下直接氮化，氮化溫度為1200~1400℃，保溫4~20h。反應完成后，得到純度98.7~99.9的高純氮化硅粉體。本方法不使用添加劑，無污染，無毒害，成本低；采用低壓制備，安全系數高，對設備要求較低；該工藝簡單可控，制備的氮化硅純度高，適合工業化生產。

應用^[4]

多孔氮化硅陶瓷材料作為一種多孔材料，是目前綜合性能最好的多孔陶瓷材料之一，它不僅具有多孔陶瓷比表面積大、孔徑可控等特點，還具備著氮化硅材料高強度、耐高溫、耐酸堿等優點，在傳統工業領域、能源領域和環保領域都有廣泛應用，因此關于多孔氮化硅陶瓷的制備方法成為目前研究的熱點之一。

一種制備多孔氮化硅陶瓷的方法，所述方法包括：

（1）將木屑清洗烘干后球磨，得到粒徑更小的木屑粉末；

（2）配料：將步驟（1）得到的木屑粉、氮化硅粉、燒結助劑按配方質量比稱量；

（3）球磨：將稱量好的配料加入球磨罐中，得到混合均勻的漿料；

（4）造粒：將步驟（3）得到的漿料烘干后，放入研缽中磨細過篩，加入一定量濃度為5%的PVA溶液，再次研磨，得到造粒粉；

（5）成型：將步驟（4）得到的造粒粉模壓成型，干燥后得到多孔氮化硅陶瓷坯體；

（6）燒結：采用常壓燒結法燒結步驟（5）得到的坯體，即得所述的多孔氮化硅陶瓷。

圖1為多孔氮化硅陶瓷的宏觀掃面圖；

圖2為多孔氮化硅陶瓷的放大掃描圖。

主要參考資料

[1]實用精細化工辭典

[2]CN201610724383.6 一種高純高α相氮化硅粉體的制備方法

[3]CN201810586769.4 一種制備多孔氮化硅陶瓷的方法

[4]CN201610611915.5一種無添加劑低壓制備高純氮化硅的方法