氮化硅的制备性质及应用

1、整理课件1 氮化硅的制备、性质及应用 江福炜 汤梓聪 1 整理课件2 提纲 氮化硅的物理性质 氮化硅的化学结构 氮化硅的性能 氮化硅的制备方法 氮化硅的应用 国内形势 前景 2 整理课件3 呈灰色、白色或灰白色呈灰色、白色或灰白色 六方晶系，晶体呈六面体六方晶系，晶体呈六面体 不溶于水，溶于氢氟酸不溶于水，溶于氢氟酸 莫氏硬度莫氏硬度： 99.5 维氏硬度维氏硬度：约：约2200 显微硬度显微硬度： 32630MPa 熔点熔点 ：1900（加压下）（加压下） 常压下常压下1900分解分解 比热容比热容：0.71J/(gK) 热导率热导率：16.7W/(mK) 比体积电阻：比体积电阻：20时时1

2、.41.410105 5 m m 500时为时为 4 410108 8 m m 耐压强度耐压强度：490MPa490MPa（反应烧结的）（反应烧结的） 抗弯强度：抗弯强度：147MPa147MPa 3 整理课件4 其共价键长较短，其共价键长较短， Si3N4成键电成键电 子数目多，原子间排列的方向性强子数目多，原子间排列的方向性强 ，相邻原子间相互作用大。存在两，相邻原子间相互作用大。存在两 种由种由Si-N4四面体结构以不同的堆四面体结构以不同的堆 砌方式堆砌而成的三维网络晶形，砌方式堆砌而成的三维网络晶形， 一个是一个是-Si3N4，另一个是，另一个是-Si3N4 。正是由于正是由于Si-

3、N4四面体结构单元四面体结构单元 的存在的存在，Si3N4具有较高的硬度。具有较高的硬度。 4 整理课件5 在工业性能上， Si3N4材料表现出了较好的工艺性能。（1）机械强度高，硬度接近于刚玉， 有自润滑性耐磨；（2）热稳定性高，热膨胀系数小，有良好的导热性能；（3）化学性能 稳定，能经受强烈的辐射照射等等。 陶瓷球轴承陶瓷球轴承 高导热性涂料高导热性涂料 陶瓷陶瓷 太阳能电池上太阳能电池上 的氮化硅膜的氮化硅膜 窑具窑具 切削工具切削工具 阀门阀门 5 整理课件6 常用的制备方法有常用的制备方法有 ： 硅粉直接氮化法硅粉直接氮化法 碳热还原法碳热还原法 卤化硅氨解法卤化硅氨解法 制备前驱体

4、法制备前驱体法 化学复分解法化学复分解法 原位合成法原位合成法 硅合金氨解法硅合金氨解法 等等 6 整理课件7 合成方法 在1300-1400的条件下用单质硅和氮气直接进行化学反应获得 3 Si(s) + 2 N2(g) Si3N4(s) 7 整理课件8 SiCl4(l) + 6 NH3(g) Si(NH)2(s) + 4 NH4Cl(s) 在0的条件下 3 Si(NH)2(s) Si3N4(s) + N2(g) + 3 H2(g)在1000的条件下 用碳热还原反应在1400-1450的氮气气氛下合成 3 SiO2(s) + 6 C(s) + 2 N2(g) Si3N4(s) + 6 CO 亚

5、氨基硅亚氨基硅 8 碳热还原法碳热还原法 卤化硅氨解法卤化硅氨解法 整理课件9 电子级氮化硅薄膜通过化学气相沉积法化学气相沉积法制造 3 SiH4(g) + 4 NH3(g) Si3N4(s) + 12 H2(g) 3 SiCl4(g) + 4 NH3(g) Si3N4(s) + 12 HCl(g) 3 SiCl2H2(g) + 4 NH3(g) Si3N4(s) + 6 HCl(g) + 6 H2(g) 9 整理课件10 氮化硅陶瓷制品的生产方法 反应烧结法 将硅粉或硅粉与氮化硅粉的混合 料按一般陶瓷制品生产方法成型。 然后在氮化炉内，在11501200 预氮化，获得一定强度后，可在 机床上

6、进行机械加工，接着在 13501450进一步氮化1836h， 直到全部变为氮化硅为止。 制得产品尺寸精确，体积稳定。 热压烧结法 将氮化硅粉与少量添加剂（如 MgO、Al2O3、MgF2、AlF3或 Fe2O3等），在19.6MPa以上的 压力和16001700条件下压热 成型烧结。 制得的产品比反应烧结制得的产 品密度高，性能好。 10 整理课件11 11 应用应用 机械工业机械工业 主泵柱塞 轴承滚珠 滚珠座圈 陶瓷刀具 密封材料 整理课件12 氮化硅热电偶保护管 12 冶金工业冶金工业 升热管升热管 脱硫喷嘴 坩埚 整理课件13 13 其他领域 整理课件14 14 其他领域 整理课件15

7、 15 其他领域其他领域 整理课件16 普遍存在如下不足 ： 由大颗粒氮化硅、 多相粉体烧结制备， 脆性大、 均匀 性差、 可靠性低、 韧性和强度差 而硅粉直接氮化法制备氮化硅粉体要求氮气压力必须足够高， 以实现 Si 和 N2 的充分接触。一般燃烧合成Si3N4 的氮气压力低限是3MPa， 但有时高达 100MPa以上。采用高压合成工艺不仅因设备投资高而且增加了生产成本， 同 时也给生产带来了安全隐患。从国内外氮化硅粉体的指标测试和试烧结果看来， 国内最具代表性企业生产的 Si3N4 平均颗粒在 3 微米左右， 金属杂质含量较 高， 难以达到合格产品要求， 而进口的粉体为 0.7 微米以下。因此， 为满 足市场需求， 工业化生产超微、 高质量的氮化硅粉末是国内氮化硅行业发展 中亟待