中國(guó)粉體網(wǎng)訊 氮化硅陶瓷不僅熔點(diǎn)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(guó)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(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
高性能氮化硅陶瓷需要何種粉體？
對(duì)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(lái)說(shuō)，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?yàn)檫@些指標(biāo)都會(huì)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(duì)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(shí)，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(duì)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?dú)狻睔獾群獨(dú)怏w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(diǎn)，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(guó)的ALZ、瑞典的VESTA等國(guó)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?dú)饣蛘甙睔饧訜岬?400℃進(jìn)行反應(yīng)，二氧化硅會(huì)先和碳進(jìn)行還原反應(yīng)，生成單質(zhì)硅后再和氮?dú)饣蛘甙睔膺M(jìn)行反應(yīng)得到氮化硅。碳熱還原二氧化硅法的優(yōu)點(diǎn)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(guò)程簡(jiǎn)單，比直接氮化法的速度快，效率高。該制備方法的缺點(diǎn)是二氧化硅很難完全還原氮化，殘存二氧化硅會(huì)極大影響陶瓷的高溫性能。
液相反應(yīng)法(又稱(chēng)硅亞胺化學(xué)分解法)制備氮化硅粉的過(guò)程是將四氯化硅在零度干燥的乙烷中與一定量的無(wú)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(wú)定型的氮化硅，無(wú)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(diǎn)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(mén)檻高，對(duì)原料的純度要求高，其難點(diǎn)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)�；a(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(lái)興起的一種制備無(wú)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?dú)獾姆磻?yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)物一旦被引燃，便會(huì)自動(dòng)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(guò)程可控性差，氮化硅粉體α相含量低。
近年來(lái)，中國(guó)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(guó)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(qǐng)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(bào)告，屆時(shí)，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(zhuān)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(guó)陶瓷學(xué)會(huì)會(huì)員，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)工程陶瓷專(zhuān)業(yè)委員會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書(shū)長(zhǎng)；中國(guó)先進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長(zhǎng)。一直從事先進(jìn)陶瓷材料制備技術(shù)研究與應(yīng)用開(kāi)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(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，申請(qǐng)和授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利30余項(xiàng)；出版學(xué)術(shù)專(zhuān)著《結(jié)構(gòu)陶瓷》一部，該書(shū)獲得國(guó)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(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)”1項(xiàng)，教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家教委技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。
參考來(lái)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(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除
