中國(guó)粉體網(wǎng)訊 最近，材料界的“全能冠軍”——氮化硅有點(diǎn)忙，新項(xiàng)目、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，行業(yè)熱度不減。
8月27日，內(nèi)蒙古大地澤林硅科技有限公司年產(chǎn)2000噸氮化硅及其他硅材料生產(chǎn)加工項(xiàng)目備案通過(guò)。
8月20日，洛陽(yáng)中硅高科技有限公司陶瓷基板用氮化硅粉體制備項(xiàng)目環(huán)評(píng)批復(fù)。本項(xiàng)目采用四氯化硅氨解法生產(chǎn)工藝年產(chǎn)30噸高純氮化硅粉體。
“全能冠軍”源自氮化硅結(jié)構(gòu)及性質(zhì)
氮化硅是制備新型先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的重要原料，氮化硅陶瓷具備耐高溫、耐磨損、低密度、高強(qiáng)度、高硬度等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、航空航天、國(guó)防軍工、半導(dǎo)體、生物醫(yī)藥等核心技術(shù)領(lǐng)域。因此，氮化硅也被稱(chēng)為“材料世界的全能冠軍”。
中材高新氮化硅產(chǎn)品
1879年，法國(guó)化學(xué)家Paul Schuetzenberger在研究中首次提出“四氮化三硅”這種叫法，并在德國(guó)的Weiss與Engelhardt的反復(fù)研究和精確計(jì)算后確定氮化硅的化學(xué)式為Si3N4。
氮化硅是由Si-N四面體組成的一種無(wú)機(jī)非金屬?gòu)?qiáng)共價(jià)鍵化合物，原子之間的高結(jié)合強(qiáng)度賦予了其良好的硬度和機(jī)械強(qiáng)度，其陶瓷產(chǎn)品耐磨損，抗彎抗壓能力強(qiáng)。但強(qiáng)共價(jià)作用使氮化硅難以發(fā)生形變，晶體滑移數(shù)很小，表現(xiàn)出容易斷裂、明顯脆性的特點(diǎn)。由于氮化硅四面體單元構(gòu)成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，氮化硅的化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠抵御除氫氟酸外其他無(wú)機(jī)酸或堿的侵蝕。
氮化硅具有3種晶體結(jié)構(gòu)形態(tài)的物相，分別是α相、β相和γ相。其中α相和β相是Si3N4最常見(jiàn)的形態(tài)，均屬于六方晶系，特殊的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予了其諸多優(yōu)異性能。γ-Si3N4只能在高溫高壓的條件下合成，因此，有關(guān)氮化硅結(jié)構(gòu)的研究主要集中在α-Si3N4和β-Si3N4。
氮化硅晶體結(jié)構(gòu)：(a)α-Si3N4，(b)β-Si3N4 ，(c)γ-Si3N4
α-Si3N4屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，一般作為β-Si3N4及Si3N4基復(fù)合材料的原始粉料，以提高材料的整體性能。
β-Si3N4是目前工程應(yīng)用中使用的主流晶型。由于其優(yōu)異的耐高溫性能、耐化學(xué)腐蝕性和自潤(rùn)滑性，它在航空航天、國(guó)防軍工和機(jī)械工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。此外，β-Si3N4也用于制造高性能陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)部件、燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子和定子、機(jī)械密封環(huán)等。
氮化硅市場(chǎng)規(guī)模及競(jìng)爭(zhēng)格局
高質(zhì)量粉體是制備高性能氮化硅陶瓷的基礎(chǔ)。自1857年法國(guó)化學(xué)家Deville和德國(guó)化學(xué)家Wohler首次報(bào)道了氮化硅的合成方法以來(lái)，科學(xué)家們?yōu)橹苽涓呒�、超�?xì)、粒度窄、性能好的粉料嘗試了多種方法，并在實(shí)際生產(chǎn)需求下進(jìn)行改良與創(chuàng)新，發(fā)現(xiàn)了一些低成本、高效率、易規(guī)模化的方法。
常見(jiàn)的氮化硅制備方法分類(lèi)及比較
QY Research調(diào)研顯示，2022年全球氮化硅市場(chǎng)規(guī)模大約為5.38億元（人民幣），預(yù)計(jì)2029年將達(dá)到7.04億元，2023-2029期間年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為4.92%。
全球氮化硅市場(chǎng)規(guī)模:2018 VS 2023 VS 2029(百萬(wàn)元）
來(lái)源：QY Research
從競(jìng)爭(zhēng)格局來(lái)看，2022年中國(guó)占全球市場(chǎng)份額為39.35%，美國(guó)為15.81%，預(yù)計(jì)未來(lái)六年中國(guó)市場(chǎng)復(fù)合增長(zhǎng)率為8.28%，并在2029年規(guī)模達(dá)到350.78百萬(wàn)元，同期美國(guó)市場(chǎng)CAGR預(yù)計(jì)大約為2.50%。未來(lái)幾年，亞太地區(qū)的重要市場(chǎng)地位將更加凸顯，除中國(guó)外，日本、韓國(guó)、印度和東南亞地區(qū)，也將扮演重要角色。此外，未來(lái)六年，預(yù)計(jì)德國(guó)將繼續(xù)維持其在歐洲的領(lǐng)先地位，2023-2029年CAGR將大約為1.03%。
從生產(chǎn)來(lái)看，目前中國(guó)是全球最大的氮化硅生產(chǎn)地區(qū)，占有大約43.59%的市場(chǎng)份額，之后是日本，占有大約32.42%的市場(chǎng)份額。中國(guó)市場(chǎng)核心廠商包括青島瓷興新材料有限公司、新疆晶碩新材料有限公司、AlzChem和�？酥Z新材料等，按收入計(jì)，2022年中國(guó)市場(chǎng)前三大廠商占有大約65.37%的市場(chǎng)份額。
氮化硅：高端應(yīng)用中的“全能冠軍”
早在19世紀(jì)中期，氮化硅就已經(jīng)被人工合成出來(lái)，但除了參與“空氣固氮”的嘗試外，一直沒(méi)有得到重視。二戰(zhàn)后，航空航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域?qū)δ透邷�、高�?qiáng)度、高硬度、抗腐蝕性材料的需求，推動(dòng)了氮化硅的相關(guān)研究。
氮化硅陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域
氮化硅粉體主要分為陶瓷級(jí)粉體、光伏級(jí)粉體、電子級(jí)粉體。近年來(lái)，隨著單晶硅片技術(shù)的成熟和生產(chǎn)成本的不斷下降，多晶硅片現(xiàn)有產(chǎn)能繼續(xù)呈現(xiàn)退出和萎縮趨勢(shì)，光伏級(jí)氮化硅粉體市場(chǎng)需求縮小。與之相反，陶瓷制品充分發(fā)揮了材料本身良好的熱學(xué)、化學(xué)和機(jī)械性能，拓寬了氮化硅的商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，順應(yīng)了新興技術(shù)與高端產(chǎn)業(yè)發(fā)展浪潮，其廣泛被應(yīng)用在機(jī)械工程、半導(dǎo)體電子、生物醫(yī)學(xué)、冶金制造、透波、光學(xué)等領(lǐng)域，充分體現(xiàn)了“全能冠軍”的特征。
在機(jī)械領(lǐng)域，氮化硅陶瓷可用作高速車(chē)刀、軸承、發(fā)動(dòng)機(jī)刮片、燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)向葉片和渦輪葉片等；較高的強(qiáng)度和韌性以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性使其非常適合作為生物陶瓷；優(yōu)異的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，較低的介電常數(shù)，較好的抗燒蝕性能使其成為最有希望的天線罩材料.....
在半導(dǎo)體領(lǐng)域，氮化硅作為其他半導(dǎo)體零部件如：半導(dǎo)體泵輔用陶瓷球軸承、加熱器、晶圓轉(zhuǎn)移用精密陶瓷吸盤(pán)等也展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。由中材高新氮化物公司牽頭，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、寧夏北瓷新材料科技有限公司、天津大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所等10家單位共同承擔(dān)，針對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)晶舟和靜電吸盤(pán)部件的迫切需求，開(kāi)展碳化硅、氮化鋁和氮化硅陶瓷的組分設(shè)計(jì)、晶舟及吸盤(pán)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高精度制備、精密加工、表面改性等系統(tǒng)研究，突破12英寸晶圓用碳化硅晶舟、氮化鋁和氮化硅靜電吸盤(pán)的產(chǎn)業(yè)化制備關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大尺寸碳化硅晶舟和氮化鋁、氮化硅靜電吸盤(pán)樣件的研制和應(yīng)用示范，并且在此基礎(chǔ)上完成靜電吸盤(pán)部件的中試量產(chǎn)，助力我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的自主可控發(fā)展。
目前，氮化硅作為軸承球材料和散熱基板材料最受矚目。
高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板
為順應(yīng)電子科技領(lǐng)域系統(tǒng)化、智能化、集成化發(fā)展，半導(dǎo)體器件中電子芯片輸入功率持續(xù)升高，電路集成程度、排線密度越來(lái)越大，致使器件工作產(chǎn)生的熱量增多，為電子封裝基板散熱帶來(lái)困難，成為抑制器件提升工作效率的主要原因。氮化硅理論熱導(dǎo)率高，還具有高絕緣耐壓值、強(qiáng)抗氧化性以及與封裝內(nèi)芯片材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，能夠滿足大功率散熱基板材料的制備要求，可用于高速電路IGBT、LG、CPV等大功率半導(dǎo)體器件的封裝散熱。
氮化硅陶瓷基板，來(lái)源：JFC
根據(jù)Valuates Reports報(bào)告數(shù)據(jù)，全球氮化硅陶瓷基板市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2023年的4800萬(wàn)美元增長(zhǎng)到2029年的3.693億美元，預(yù)測(cè)期內(nèi)復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)為40.4%。
氮化硅陶瓷軸承
氮化硅或氮化硅基復(fù)合材料陶瓷軸承，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外高新技術(shù)研究重點(diǎn)之一。1976年，無(wú)壓燒結(jié)和氣壓燒結(jié)的出現(xiàn)解決了原有生產(chǎn)工藝無(wú)法制備異形零部件以及氮化硅高溫?zé)Y(jié)易分解等問(wèn)題。后續(xù)的軸承疲勞測(cè)試結(jié)果顯示，相同條件下氮化硅球軸承的使用壽命比全鋼軸承提高了3~5倍，滾動(dòng)疲勞壽命也明顯優(yōu)于碳化硅、氧化鋁等材料。因此，氮化硅軸承廣泛應(yīng)用于增壓器轉(zhuǎn)子、機(jī)床用高速主軸軸承、航空航天精密主軸、航空航天及汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)等。
從技術(shù)層面來(lái)看，目前應(yīng)用最廣泛的氮化硅陶瓷球燒結(jié)工藝為熱等靜壓燒結(jié)（HIP）和氣壓燒結(jié)（GPS），兩種工藝下生產(chǎn)的陶瓷球針對(duì)不同的使用環(huán)境都有廣泛的應(yīng)用。與進(jìn)口陶瓷球相比，國(guó)產(chǎn)陶瓷球在疲勞壽命、振動(dòng)值、噪聲值等方面有待改善，導(dǎo)致這些差距的主要原因是技術(shù)路線不同。國(guó)外陶瓷球采用熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)制備，而國(guó)內(nèi)陶瓷球采用氣壓燒結(jié)技術(shù)。
小結(jié)
在世界追求碳達(dá)峰和碳中和的背景下，異軍突起的新能源造車(chē)勢(shì)力與高精尖半導(dǎo)體ICT領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芴沾刹考男枨笕找鎰≡�，兼具�?yōu)異力學(xué)和熱學(xué)性能的氮化硅必將興起新一輪陶瓷工業(yè)浪潮。
來(lái)源：
宋殊銳等：材料世界的“全能冠軍——氮化硅的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備及應(yīng)用
李軍生：氮化硅陶瓷粉體產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
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
朱允瑞等：高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板影響因素研究現(xiàn)狀
中國(guó)粉體網(wǎng)、中國(guó)建材雜志、QY Research
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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