氮化硅的制备、性质及应用.ppt

1 氮化硅的制备 性质及应用 江福炜汤梓聪 1 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 3 呈灰色 白色或灰白色六方晶系 晶体呈六面体不溶于水 溶于氢氟酸莫氏硬度 9 9 5维氏硬度 约2200显微硬度 32630MPa熔点 1900 加压下 常压下1900 分解比热容 0 71J g K 热导率 16 7W m K 比体积电阻 20 时1 4 105 m500 时为4 108 m耐压强度 490MPa 反应烧结的 抗弯强度 147MPa 3 4 其共价键长较短 Si3N4成键电子数目多 原子间排列的方向性强 相邻原子间相互作用大 存在两种由 Si N4 四面体结构以不同的堆砌方式堆砌而成的三维网络晶形 一个是 Si3N4 另一个是 Si3N4 正是由于 Si N4 四面体结构单元的存在 Si3N4具有较高的硬度 4 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 5 陶瓷球轴承 高导热性涂料 陶瓷 太阳能电池上的氮化硅膜 窑具 切削工具 阀门 5 常用的制备方法有 硅粉直接氮化法碳热还原法卤化硅氨解法制备前驱体法化学复分解法原位合成法硅合金氨解法等 6 6 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3Si s 2N2 g Si3N4 s 7 8 SiCl4 l 6NH3 g Si NH 2 s 4NH4Cl s 在0 的条件下3Si NH 2 s Si3N4 s N2 g 3H2 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3SiO2 s 6C s 2N2 g Si3N4 s 6CO 亚氨基硅 8 碳热还原法 卤化硅氨解法 9 电子级氮化硅薄膜通过化学气相沉积法制造3SiH4 g 4NH3 g Si3N4 s 12H2 g 3SiCl4 g 4NH3 g Si3N4 s 12HCl g 3SiCl2H2 g 4NH3 g Si3N4 s 6HCl g 6H2 g 9 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1150 1200 预氮化 获得一定强度后 可在机床上进行机械加工 接着在1350 1450 进一步氮化18 36h 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1600 1700 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 2020 3 16 11 可编辑 12 11 应用机械工业 主泵柱塞 轴承滚珠 滚珠座圈 陶瓷刀具 密封材料 13 氮化硅热电偶保护管 12 冶金工业 升热管 脱硫喷嘴 坩埚 14 13 其他领域 15 14 其他领域 16 15 其他领域 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解决的难题 刻不容缓 关键在于对其合成工艺进行改进 17 国内