氮化硅陶瓷是一种六方晶体结构的无机非金属强共价键化合物，有两种同素异构体，α-氮化硅和β-氮化硅。

因为其N原子和Si原子的结合力很强，氮化硅具有优良的力学性能，如：强度高，韧性好，稳定性好，化学性能稳定，绝缘性好，硬度高等优点，已被广泛应用于高温发动机、高速切削等多个领域。

但是，氮化硅的烧结较为困难，往往需要较高的烧结温度，甚至还需要在高压条件下烧结，既浪费了资源，又增加了成本。为降低烧结温度，提高烧结活性，因此就需要高纯、超细的氮化硅粉体。

本文以制备超细氮化硅粉体为出发点，总结了当前氮化硅粉体的主要制备方法，详细分析比较了各种制备方法的优缺点及应用现状。

氮化硅粉体的制备方法有很多，总体可分为3大类：固相反应法、液相反应法、气相反应法。

固相反应法

01 直接氮化法

该方法是利用氮气、氨气等含氮气氛，在高温（1400℃以上）下直接与硅粉发生反应，形成氮化硅。该方法是制备氮化硅的最早方法，制备工艺相对较成熟，是目前工业化生产氮化硅的主要方法。

比如国内的紫光方大高科技陶瓷有限公司、德国的Starck公司就使用此种方法。

02 热还原法

该方法是将碳与二氧化硅混合后，在真空环境下通入氮气，高温作用下反应生成氮化硅的方法。

但是过量的碳可能会使产物中有碳或碳化硅夹杂。因此，碳的添加量是碳热还原法使用中至关重要的一个影响因素。

03自蔓延法

自蔓延法又称自蔓延高温合成法（SHS），美国、日本等还称为燃烧合成技术，是近年来新兴的一种制备方法。

SHS的原理是将原料点燃后，反应扩散向未反应区域，直至反应完全。该方法的特点是反应时间极短（一般用秒记），无污染，不会产生其他杂质，合成的产物纯度高等。

液相反应法

01 热分解法

热分解法，又称四氯化硅（SiCl₄）法。该方法主要用于制备氮化硅晶须。

热分解法的特点是反应激烈，生产迅速，可以获得高纯氮化硅，是生产氮化硅晶须的主要方法。最早能真正规模化、工业化生产出性能优异、质量稳定的氮化硅晶须是日本UBE公司发明的氨基硅热分解法。

02溶胶—凝胶法

溶胶-凝胶法（sol-gel）是一种新型的材料制备方法。

但是此方法的原料都是有机化合物，成本较高，不适合大规模工业化生产，目前仅适用于实验室制备。

01 高温气相反应法

高温气相反应法（CVD）是在高温下激发气相反应，合成高纯、超细氮化硅的方法。

CVD法虽然可制备高纯、超细氮化硅，但是目前仅限于实验室阶段，主要原因是该方法获得的氮化硅中α相较少，粉体烧结性能较差，而且生产效率低下，不适合生产氮化硅陶瓷材料。

02 激光气相反应法

激光气相反应法是利用激光束辐照反应气体，诱导其发生化学反应的方法。

使用该方法制备氮化硅的原理是利用四氢化硅气体对二氧化碳激光束的强吸收效应，用连续二氧化碳激光束辐射四氢化硅和氨气的混合气体，使其发生激光热解和合成反应，从而获得超细、粒度分布均匀的球形非晶态氮化硅粉体。

03 等离子体气相反应法

等离子体气相反应法是使用高频感应等离子体为热源激发反应气体制备氮化硅粉体的方法。

用来制备氮化硅的等离子体主要有直流等离子体、高频等离子体和混合等离子体等。其中最常使用的是高频纯氮等离子体为热源。

与其他制备方法相比，等离子体气相反应法反应迅速，其制备的氮化硅粉末纯度高、粒度小、分布窄、粉末松散，是一种优良的实验室制备超细氮化物的方法。但是原料问题仍比较难以解决，且原料属于有毒化学物质，实现产业化仍比较困难，产量仍显不足。

氮化硅陶瓷的应用

1 耐火材料

Si₃N₄陶瓷具有优异的机械性能和高温性能，常被用来作为耐火材料。例如在冶金工业方面，用来制备陶瓷舟、坩埚、蒸发皿或高温炉身等部位；在宇航工业方面，用来制造火箭喷嘴、喉衬和其他高温结构耐热部件。

2 陶瓷刀具

氮化硅陶瓷因具有高硬度、高强度、高耐热性、高抗热震性和高化学稳定性等性能使得其成为制备刀具的最佳材料。目前氮化硅陶瓷刀具广泛用于工业生产中。

3 陶瓷发动机

Si₃N₄陶瓷材料具有密度小、硬度高、热膨胀系数低、耐高温、耐磨损、热稳定性及化学稳定性好等优点，是制备发动机的理想材料。用氮化硅材料制备的陶瓷发动机具有热效率高、结构简单、工作温度高、噪音低等优点。

目前，Si₃N₄陶瓷材料被用于制造汽车发动机上的元件，如电热塞燃烧室、喷嘴、连杆等。

结语

针对氮化硅粉体的制备，目前的主要问题是如何工业化大规模生产高纯超细的纳米氮化硅粉体。
以后研究的重点包括：一方面，对于现有的工业化制备方法，要优化制备工艺，简化制备流程，严格控制原料的质量，从而提高粉体的质量和生产效率；另一方面，要加大对实验室用新型方法的研究，努力促进其工业化应用。

参考来源

徐晨辉等.氮化硅陶瓷粉体的制备研究进展

陈力，冯坚.氮化硅陶瓷材料的研究现状及其应用

刘雄章.纳米氮化硅粉体的制备及其显微形貌分析

本信息源自互联网仅供学术交流 如有侵权请联系我们立即删除