氮化硅陶瓷粉体的制备方法

氮化硅是一种无机物，化学式为Si3N4，是一种重要的结构陶瓷材料，硬度大，本身具有润滑性，耐磨损，高温抗氧化，抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂，被用来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。此外，氮化硅陶瓷具有高的力学性能，其抗弯强度和断裂韧性是氮化铝和氧化铝的2~3倍，并且具有较高的热导率以及极好的热辐射性和耐热循环性，是公认的集高导热率、高可靠性于一身的陶瓷基板材料，适用于机械振动大、热冲击大、电流冲击大以及要求具有高可靠性、高稳定性的应用场合，如航天航空、轨道交通、电动汽车、光伏逆变、智能电网等。

图氮化硅，来源青岛瓷兴

氮化硅陶瓷粉体是影响物理、力学性能的关键因素，粉体的纯度、粒度、物相会对氮化硅的热导率、力学性能产生重要影响。其特性对制品的成型工艺、烧结工艺以及最终产品性能都有着重大的影响。

一、氮化硅粉体的特性

氮化硅（Si3N4）是一种氮原子和硅原子比例为4:3的共价键化合物，它是一种六方晶体结构，有α、β和γ三种晶相。其中α和β两相是Si3N4最常出现的型式，且可以在常压下制备。

图氮化硅晶体结构

α-Si3N4是低温稳定相，β-Si3N4是高温稳定相。在氮化硅陶瓷的烧结过程中，α-Si3N4会发生晶粒的异常生长，相变形成长柱状晶β-Si3N4，此结构对裂纹扩展起到桥连、分叉、偏转作用，能提高材料的韧性，使得陶瓷的强度大大提高。所以，高的α相含量是得到高性能氮化硅陶瓷的重要保证。

表氮化硅的基本性能

高质量的氮化硅粉体是获得高性能氮化硅陶瓷的初始条件，一般要求纯度高、粒径细且分布窄、α相含量高等。

二、氮化硅粉体的制备方法

目前氮化硅粉的制备方法主要有硅粉氮化法、二酰亚胺合成法、碳热还原法、等离子法等方法，不同的粉体合成工艺，对粉体的特征有巨大的影响。

1、硅粉氮化法

硅粉氮化法是将亚微米级的硅粉在1200℃的高温、氨气或氮气的气氛下，硅与氨气或氮气直接反应制备氮化硅粉的方法，反应方程式如下：

优点：工艺简单易行，设备操作用容易，无毒，产物重复性好，适用于工业化大规模生产，也是现在商业化应用最广泛的方法之一。

缺点：反应为放热反应，为生产高α相的氮化硅粉，通常将反应体系的温度控制在较低条件下进行，使得反应时间长，生产效率较低，能耗较大。且产物一般为不规则块状，需要破碎研磨等工序得到粉末，易引入杂质。

2、二酰亚胺合成法

二酰亚胺合成法通过将气态或者液态的SiCl4与NH3进行化学反应，生产Si(NH)2，并放出NH4Cl，经过洗涤后进行热处理结晶化，在1300~1500℃结晶化处理，生成α-Si3N4，超过1500℃则为β-Si3N4，反应方程式如下：

优点：产物形状呈规则球形，α-Si3N4含量高，有较好的烧结性能，市场上品质较高的粉体便是日本宇部（UBE）公司采用此方法制备的。随着SiCl4等原料简单易得，此方法成为第二大制备氮化硅的生产方法。

缺点：二酰亚胺合成法工艺步骤繁杂，且需要用到大量有毒化学试剂，制备条件苛刻，产物含有较多氯离子，且成本较高。

3、碳热还原法

碳热还原法是使用SiO2和碳在N2气氛下共热制备氮化硅的方法，它是氮化硅粉在工业化生产中最早使用的方法，被认为是性价比最高的用于制备高α相氮化硅的生产路径。反应方程式如下：

缺点：生产过程中易同时生产SiC和Si2N2O，且产物中通常含有未反应完全的SiO，制备的氮化硅粉体纯度不是太高，难以满足高品质氮化硅陶瓷粉体的性能要求。

4、等离子法

等离子法是指在CO2激光和等离子体高能辐照下使用SiH4和NH2来制备氮化硅。反应方程式如下：

优点：使用气相法来制备氮化硅时通常具有纯度高和粒度小的特点，此方法成为生产高纯纳米氮化硅的重要方法。

缺点：成本高，产量小，生产效率不高，无法满足大规模工业化生产需要。

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