氮化硅

　 　 氮化硅，化學(xué)式為Si3N4，是一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。它是一種超硬物質(zhì)，本身具有潤(rùn)滑性，并且耐磨損，為原子晶體；高溫時(shí)抗氧化。而且它還能抵抗冷熱沖擊，在空氣中加熱到1000℃以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會(huì)碎裂。正是由于氮化硅陶瓷具有如此優(yōu)異的特性，人們常常利用它來(lái)制造軸承、氣輪機(jī)葉片、機(jī)械密封環(huán)、永久性模具等機(jī)械構(gòu)件。如果用耐高溫而且不易傳熱的氮化硅陶瓷來(lái)制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件的受熱面，不僅可以提高柴油機(jī)質(zhì)量，節(jié)省燃料，而且能夠提高熱效率。我國(guó)及美國(guó)、日本等國(guó)家都已研制出了這種柴油機(jī)。
　 　 特點(diǎn)
　 　 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)。
　 　 物理性質(zhì)
　 　 相對(duì)分子質(zhì)量140.28。灰色、白色或灰白色。六方晶系。晶體呈六面體。密度3.44。硬度9~9.5，努氏硬度約為2200，顯微硬度為32630MPa。熔點(diǎn)1900℃（加壓下）。通常在常壓下1900℃分解。比熱容為0.71J/(g·K)。生成熱為-751.57kJ/mol。熱導(dǎo)率為16.7W/(m·K)。線膨脹系數(shù)為2.75×10-6/℃(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攝式度時(shí)與二氮化二鈣反應(yīng)生成二氮硅化鈣，600度時(shí)使過(guò)渡金屬還原，放出氮氧化物。抗彎強(qiáng)度為147MPa。可由硅粉在氮?dú)庵屑訜峄螓u化硅與氨反應(yīng)而制得。可用作高溫陶瓷原料。
　 　 生產(chǎn)方法
　 　 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�化硅為止。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。
　 　 其他應(yīng)用
　 　 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)馔钙剑�飛機(jī)引擎，電爐等。
　 　 結(jié)構(gòu)
　 　 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。
　 　 材料性能
　 　 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�二氧化硅和碳的混合�?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。
　 　 粒度按用戶要求而定。