中國粉體網(wǎng)訊 氮化硅陶瓷不僅熔點高、硬度大、耐磨損，而且抗彎強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好，被譽(yù)為綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，在國防、軍工、電子信息等關(guān)鍵領(lǐng)域具有不可替代的地位，關(guān)乎國家安全和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
高性能氮化硅陶瓷需要何種粉體？
對于制備抗彎強(qiáng)度大且熱導(dǎo)率高的陶瓷基板和高性能軸承球來說，粉體不僅需要純度高，而且還需要滿足低氧、超細(xì)、高α相等指標(biāo)。因為這些指標(biāo)都會直接決定基板和陶瓷球中的缺陷(晶格氧、氣孔)、雜質(zhì)以及晶界尺寸，從而影響熱導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度。
日本宇部(UBE)探究了粉體質(zhì)量對陶瓷熱導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度的影響行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉體粒徑D50為0.4~1.5μm，比表面積(BET)為4.0~9.0m2/g，α相含量>95%(質(zhì)量)，O含量為0.2%~0.95%(質(zhì)量)，C含量<0.2%(質(zhì)量)，F(xiàn)含量<0.003%(質(zhì)量)，Cl含量<0.01%(質(zhì)量)，以及Ca+Fe+Al等其他金屬總雜質(zhì)<0.05%(質(zhì)量)時，具有較高的燒結(jié)活性，可制備出熱導(dǎo)率>100W/(m·K)，抗彎強(qiáng)度大(>1000MPa)的高性能基板[商業(yè)化應(yīng)用的最低熱導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度為90W/(m·K)和600MPa]。
粉體質(zhì)量與其制備方法密切相關(guān)
通常，采用不同方法制備的Si3N4粉體具有不同的比表面積，對Si3N4陶瓷的最終性能也有一定的影響。
硅粉氮化法的基本原理是硅粉和氮氣、氨氣等含氮氣體在高溫下進(jìn)行反應(yīng)生成氮化硅，該方法具有產(chǎn)品性能穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點，是應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的氮化硅粉體批量化生產(chǎn)方法。德國的ALZ、瑞典的VESTA等國際著名粉體廠商均采用該方法批量化生產(chǎn)氮化硅粉。
碳熱還原法的原料是一定純度的石英粉和高純炭粉(焦炭或木炭)，將原料混合均勻后放入反應(yīng)爐內(nèi)通入氮氣或者氨氣加熱到1400℃進(jìn)行反應(yīng)，二氧化硅會先和碳進(jìn)行還原反應(yīng)，生成單質(zhì)硅后再和氮氣或者氨氣進(jìn)行反應(yīng)得到氮化硅。碳熱還原二氧化硅法的優(yōu)點是所得到的微粉粒徑小且純度高，且含有大量的α相，反應(yīng)過程簡單，比直接氮化法的速度快，效率高。該制備方法的缺點是二氧化硅很難完全還原氮化，殘存二氧化硅會極大影響陶瓷的高溫性能。
液相反應(yīng)法(又稱硅亞胺化學(xué)分解法)制備氮化硅粉的過程是將四氯化硅在零度干燥的乙烷中與一定量的無水氨氣發(fā)生反應(yīng)，生成高純度的亞氨基硅和氨基硅，其在一定高溫下進(jìn)行熱分解生成無定型的氮化硅，無定型的氮化硅進(jìn)一步熱處理轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定α相的氮化硅。此方法最大的特點是化學(xué)反應(yīng)激烈，生產(chǎn)速度快，可以獲得高純度氮化硅粉。但該方法制備難度大，技術(shù)門檻高，對原料的純度要求高，其難點在于不易獲得穩(wěn)定的固態(tài)亞氨基硅(Si(NH)2)。日本UBE公司是最早，也是唯一使用該方法規(guī)模化生產(chǎn)出性能優(yōu)異、質(zhì)量穩(wěn)定的氮化硅粉體產(chǎn)品的廠商。
自蔓延高溫合成法(SHS)是近年來興起的一種制備無機(jī)化合物高溫材料新方法。其原理是依靠外部能量將金屬硅粉引燃，由于硅和氮氣的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)物一旦被引燃，便會自動向尚未反應(yīng)的區(qū)域傳播，直至反應(yīng)完全。該方法合成氮化硅粉體反應(yīng)速度快，粉體純度高，成本低廉，但制備過程可控性差，氮化硅粉體α相含量低。
近年來，中國的氮化硅粉體產(chǎn)業(yè)也得到快速發(fā)展，粉體性能有顯著提升，可以滿足許多氮化硅結(jié)構(gòu)件和基板的要求。而以日本宇部（UBE）公司為代表的液相反應(yīng)法制備的氮化硅粉體，具有細(xì)晶、純度高和α相含量高、良好的燒結(jié)活性，依然是高強(qiáng)度高硬度精密陶瓷軸承球及高端結(jié)構(gòu)件所需的關(guān)鍵性粉體。2023年3月9-10日，中國粉體網(wǎng)將在江西萍鄉(xiāng)舉辦“2022第五屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”，我們有幸邀請到了清華大學(xué)謝志鵬教授作題為《氮化硅粉體產(chǎn)業(yè)與制備技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r》的報告，屆時，謝志鵬教授將著重介紹氮化硅陶瓷粉體的產(chǎn)業(yè)情況和粉體制備技術(shù)。
專家介紹：
謝志鵬，清華大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師；美國陶瓷學(xué)會會員，中國機(jī)械工程學(xué)會工程陶瓷專業(yè)委員會副理事長兼秘書長；中國先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長。一直從事先進(jìn)陶瓷材料制備技術(shù)研究與應(yīng)用開發(fā)，主要包括納米陶瓷粉體合成技術(shù)、復(fù)雜形狀陶瓷部件凈尺寸成型、陶瓷材料新型燒結(jié)工藝、高性能氧化物與非氧化物陶瓷及高導(dǎo)熱陶瓷材料制備工藝等。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，申請和授權(quán)國家發(fā)明專利30余項；出版學(xué)術(shù)專著《結(jié)構(gòu)陶瓷》一部，該書獲得國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金資助；學(xué)術(shù)著作《智能終端陶瓷》一部。獲得了“國家技術(shù)發(fā)明二等獎”1項，教育部科技進(jìn)步一等獎1項，國家教委技術(shù)進(jìn)步二等獎1項。
參考來源：
[1]向茂喬等.氮化硅粉體制備技術(shù)及粉體質(zhì)量研究進(jìn)展
[2]陳波等.氮化硅陶瓷在四大領(lǐng)域的研究及應(yīng)用進(jìn)展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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