氮化硅應(yīng)用

【氮化硅的應(yīng)用】

氮化硅用做高級(jí)耐火材料，如與sic結(jié)合作SI3N4-SIC耐火材料用于高爐爐身等部位;如與BN結(jié)合作SI3N4-BN材料，用于水平連鑄分離環(huán)。SI3N4-BN系水平連鑄分離環(huán)是一種細(xì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料，結(jié)構(gòu)均勻，具有高的機(jī)械強(qiáng)度。耐熱沖擊性好，又不會(huì)被鋼液濕潤(rùn)，符合連鑄的工藝要求。見(jiàn)下表

除氫氟酸外，它不與其他無(wú)機(jī)酸反應(yīng)(反應(yīng)方程式:Si3N4+12HF═3SiF4↑+4NH3↑，抗腐蝕能力強(qiáng)。

六方 β-Si3N4

可在1300-1400℃的條件下用單質(zhì)硅和氮?dú)庵苯舆M(jìn)行化合反應(yīng)得到氮化硅:

也可用二亞胺合成

或用碳熱還原反應(yīng)在1400-1450℃的氮?dú)鈿夥障潞铣?

對(duì)單質(zhì)硅的粉末進(jìn)行滲氮處理的合成方法是在二十世紀(jì)50年代隨著對(duì)氮化硅的重新"發(fā)現(xiàn)"而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。也是第一種用于大量生產(chǎn)氮化硅粉末的方法。但如果使用的硅原料純度低會(huì)使得生產(chǎn)出的氮化硅含有雜質(zhì)硅酸鹽和鐵。用二胺分解法合成的氮化硅是無(wú)定形態(tài)的，需要進(jìn)一步在1400-1500℃的氮?dú)庀伦鐾嘶鹛幚聿拍軐⒅D(zhuǎn)化為晶態(tài)粉末，二胺分解法在重要性方面是僅次于滲氮法的商品化生產(chǎn)氮化硅的方法。碳熱還原反應(yīng)是制造氮化硅的最簡(jiǎn)單途徑也是工業(yè)上制造氮化硅粉末最符合成本效益的手段。

電子級(jí)的氮化硅薄膜是通過(guò)化學(xué)氣相沉積或者等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)制造的:

如果要在半導(dǎo)體基材上沉積氮化硅，有兩種方法可供使用:

氮化硅的晶胞參數(shù)與單質(zhì)硅不同。因此根據(jù)沉積方法的不同，生成的氮化硅薄膜會(huì)有產(chǎn)生張力或應(yīng)力。特別是當(dāng)使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)時(shí)，能通過(guò)調(diào)節(jié)沉積參數(shù)來(lái)減少?gòu)埩Α?/p>

先利用溶膠凝膠法制備出二氧化硅，然后同時(shí)利用碳熱還原法和氮化對(duì)其中包含特細(xì)碳粒子的硅膠進(jìn)行處理后得到氮化硅納米線。硅膠中的特細(xì)碳粒子是由葡萄糖在1200-1350℃分解產(chǎn)生的。合成過(guò)程中涉及的反應(yīng)可能是:

藍(lán)色圓球是氮原子，灰色圓球是硅原子

氮化硅(Si3N4)存在有3種結(jié)晶結(jié)構(gòu)，分別是α、β和γ三相。α和β兩相是Si3N4最常出現(xiàn)的型式，且可以在常壓下制備。γ相只有在高壓及高溫下，才能合成得到，它的硬度可達(dá)到35GPa。

相對(duì)分子質(zhì)量140.28。灰色、白色或灰白色。屬高溫難溶化合物，無(wú)熔點(diǎn)，抗高溫蠕變能力強(qiáng)，不含粘結(jié)劑的反應(yīng)燒結(jié)氮化硅負(fù)荷軟化點(diǎn)在1800℃以上;六方晶系。晶體呈六面體。反應(yīng)燒結(jié)法制得的Si3N4密度為1.8~2.7g/cm3，熱壓法制得Si3N4密度為3.12~3.22g/cm3。莫氏硬度9~9.5，維氏硬度約為2200，顯微硬度為32630MPa。熔點(diǎn)1900℃(加壓下)。通常在常壓下1900℃左右分解。比熱容0.71J/(g·K)。生成熱為-751.57kJ/mol。熱導(dǎo)率為(2-155)W/(m·K)。線膨脹系數(shù)為2.8~3.2×10-6/℃(20~1000℃)。不溶于水。溶于氫氟酸。在空氣中開(kāi)始氧化的溫度1300~1400℃。比體積電阻，20℃時(shí)為1.4×105 ·m,500℃時(shí)為4×108 ·m。彈性模量為28420~46060MPa。耐壓強(qiáng)度為490MPa(反應(yīng)燒結(jié)的)。1285℃時(shí)與二氮化二鈣反應(yīng)生成二氮硅化鈣，600℃時(shí)使過(guò)渡金屬還原，放出氮氧化物?？箯潖?qiáng)度為147MPa?？捎晒璺墼诘?dú)庵屑訜峄螓u化硅與氨反應(yīng)而制得。電阻率在1015-1016Ω.cm?？捎米鞲邷靥沾稍稀?/p>

氮化硅陶瓷制品的生產(chǎn)方法有兩種，即反應(yīng)燒結(jié)法和熱壓燒結(jié)法。反應(yīng)燒結(jié)法是將硅粉或硅粉與氮化硅粉的混合料按一般陶瓷制品生產(chǎn)方法成型。然后在氮化爐內(nèi)，在1150~1200℃預(yù)氮化，獲得一定強(qiáng)度后，可在機(jī)床上進(jìn)行機(jī)械加工，接著在1350~1450℃進(jìn)一步氮化18~36h，直到全部變?yōu)榈铻橹?。這樣制得的產(chǎn)品尺寸精確，體積穩(wěn)定。熱壓燒結(jié)法則是將氮化硅粉與少量添加劑(如MgO、Al2O3、MgF2、AlF3或Fe2O3等)，在19.6MPa以上的壓力和1600~1700℃條件下壓熱成型燒結(jié)。通常熱壓燒結(jié)法制得的產(chǎn)品比反應(yīng)燒結(jié)制得的產(chǎn)品密度高，性能好。附表1中列出了這兩種方法生產(chǎn)的氮化硅陶瓷的性能。

氮化硅陶瓷材料具有熱穩(wěn)定性高、抗氧化能力強(qiáng)以及產(chǎn)品尺寸精確度高等優(yōu)良性能。由于氮化硅是鍵強(qiáng)高的共價(jià)化合物，并在空氣中能形成氧化物保護(hù)膜，所以還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，1200℃以下不被氧化，1200~1600℃生成保護(hù)膜可防止進(jìn)一步氧化，并且不被鋁、鉛、錫、銀、黃銅、鎳等很多種熔融金屬或合金所浸潤(rùn)或腐蝕，但能被鎂、鎳鉻合金、不銹鋼等熔液所腐蝕。

氮化硅陶瓷材料可用于高溫工程的部件，冶金工業(yè)等方面的高級(jí)耐火材料，化工工業(yè)中抗腐蝕部件和密封部件，機(jī)械加工工業(yè)的刀具和刃具等。

由于氮化硅與碳化硅、氧化鋁、二氧化釷、氮化硼等能形成很強(qiáng)的結(jié)合，所以可用作結(jié)合材料，以不同配比進(jìn)行改性。

此外，氮化硅還能應(yīng)用到太陽(yáng)能電池中。用PECVD法鍍氮化硅膜后，不但能作為減反射膜可減小入射光的反射，而且，在氮化硅薄膜的沉積過(guò)程中，反應(yīng)產(chǎn)物氫原子進(jìn)入氮化硅薄膜以及硅片內(nèi)，起到了鈍化缺陷的作用。這里的氮化硅氮硅原子數(shù)目比并不是嚴(yán)格的4:3，而是根據(jù)工藝條件的不同而在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，不同的原子比例對(duì)應(yīng)的薄膜的物理性質(zhì)有所不同。

用于超高溫燃?xì)馔钙?，飛機(jī)引擎，電爐等。

正八面體的兩個(gè)頂是Si，四個(gè)N就是八面體的中間平面的4個(gè)點(diǎn)，然后以這四個(gè)N產(chǎn)生的平面的中心，就是最后第三個(gè)Si了。一定要確認(rèn)每個(gè)Si都連著四個(gè)N，每個(gè)N都連著3個(gè)硅，N-N之間沒(méi)有連接

氮化硅的強(qiáng)度很高，尤其是熱壓氮化硅，是世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)之一。它極耐高溫，強(qiáng)度一直可以維持到1200℃的高溫而不下降，受熱后不會(huì)熔成融體，一直到1900℃才會(huì)分解，并有驚人的耐化學(xué)腐蝕性能，能耐幾乎所有的無(wú)機(jī)酸和30%以下的燒堿溶液，也能耐很多有機(jī)酸的腐蝕;同時(shí)又是一種高性能電絕緣材料。

氮化硅 - 性質(zhì) 化學(xué)式Si3N4。白色粉狀晶體;熔點(diǎn)1900℃,密度3.44克/厘米(20℃);有兩種變體:α型為六方密堆積結(jié)構(gòu);β型為似晶石結(jié)構(gòu)。氮化硅有雜質(zhì)或過(guò)量硅時(shí)呈灰色。

氮化硅與水幾乎不發(fā)生作用;在濃強(qiáng)酸溶液中緩慢水解生成銨鹽和二氧化硅;易溶于氫氟酸，與稀酸不起作用。濃強(qiáng)堿溶液能緩慢腐蝕氮化硅，熔融的強(qiáng)堿能很快使氮化硅轉(zhuǎn)變?yōu)楣杷猁}和氨。氮化硅在 600℃以上能使過(guò)渡金屬(見(jiàn)過(guò)渡元素)氧化物、氧化鉛、氧化鋅和二氧化錫等還原,并放出氧化氮和二氧化氮。1285℃ 時(shí)氮化硅與二氮化三鈣Ca3N2發(fā)生以下反應(yīng):

Ca3N2+Si3N4─→3CaSiN2

氮化硅的制法有以下幾種: 在1300~1400℃時(shí)將粉狀硅與氮?dú)夥磻?yīng); 在1500℃時(shí)將純硅與氨作用;

在含少量氫氣的氮?dú)庵凶茻趸韬吞嫉幕旌衔?將SiCl4的氨解產(chǎn)物Si(NH2)4完全熱分解。氮化硅可用作催化劑載體、耐高溫材料、涂層和磨料等。

氮化硅陶瓷具有高強(qiáng)度、耐高溫的特點(diǎn)，在陶瓷材料中其綜合力學(xué)性能最好，耐熱震性能、抗氧化性能、耐磨損性能、耐蝕性能好，是熱機(jī)部件用陶瓷的第一候選材料。在機(jī)械工業(yè)，氮化硅陶瓷用作軸承滾珠、滾柱、滾球座圈、工模具、新型陶瓷刀具、泵柱塞、心軸 密封材料等。

在化學(xué)工業(yè)，氮化硅陶瓷用作耐磨、耐蝕部件。如球閥、泵體、燃燒汽化器、過(guò)濾器等。

在治金工業(yè)，由于氮化硅陶瓷耐高溫，摩擦系數(shù)小，具有自潤(rùn)滑性。對(duì)多數(shù)金屬、合金溶液穩(wěn)定，因此，可制作金屬材料加工的工模具，如撥菅芯棒、擠壓、撥絲模具，軋輥、傳送輥、發(fā)熱體夾具、熱偶套營(yíng)、金屬熱處理支承件、坩堝，鋁液導(dǎo)營(yíng)、鋁包內(nèi)襯等。

氮化硅陶資材料在電子、軍事和核工業(yè)方面也有廣泛應(yīng)用。

1、氮化硅陶瓷粉末的物理化性能及產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)

氮化硅陶瓷是一種白灰色粉末，分子式為:SI3N4 ;

分子重量:140.3 , 密度3.2g/cm2

其化學(xué)成分:N>38-39;0<1-1.5;C<0.1;Fe<0.2。

粒度按用戶(hù)要求而定。

篩網(wǎng)目數(shù)與粒徑(μm)對(duì)照表

制造氮化硅磚的主要原料是燒結(jié)鎂砂和鉻鐵礦。鎂砂原料的純度要盡可能高，鉻鐵礦化學(xué)成分的要求為:Cr2O330~45%，CaO不大于1.0~1.5%。 燒制氮化硅磚的生產(chǎn)工藝與鎂質(zhì)磚大體相仿。為了消除磚在燒成過(guò)程中由于MgO和Cr2O3、Al2O3或直接結(jié)合氮化硅磚。