氮化硅的性能及应用氮化硅微粉的制备方法氮化硅的-无机与分析化学

氮化硅纤维
•优越的力学性能
•良好的耐热冲击性
•高耐氧化性 •高绝缘性 •良好的弹性模量
应
用
•金属陶瓷基复 合材料的增张材 料；
•防热功能复合 材料的制备。
氮化硅薄膜
作为减反射膜.氮化硅不仅有着极好的光学 性能(入=632. 8nm时折射率在1.8-2.5之间. 而最理想的封装太阳电池减反射膜折射率 在2. 1-2. 25之间)和化学性能.还能对质量 较差的硅片起到表而和体内钝化作用.提高 电池的短路电流。因此.采用氮化硅薄膜作 为晶体硅太阳电池的减反射膜己经成为光 伏学界的研究热点。
氮化硅基陶瓷
用途
•汽车发动机上的元件,包括涡轮增压器上的轮子、 燃烧室、摇臂、喷嘴等。 •陶瓷发动机可以明显改善发动机性能。用氮化 硅制成的涡轮轮子,转动惯量可减少40%,增压响 应时间快30%,并明显改善了低速时的加速度。 氮化硅的高温结构性能也扩大了其使用范围,增 加了恶劣环境下的使用寿命。
•用于刀具、球磨轴承、泵封材料和其他耐磨器 件的材料等。
氮
单质
的物理性质
单质氮在常况下是一种无色无臭的气体，在标 准情况下的气体密度是 1.25g· dm-3,熔点63K,沸点 75K，临界温度为126K，它是个难于液化的气体。在 水中的溶解度很小，在283K时，一体积水约可溶解 0.02体积的N2。
单质氮的结构
氮气分子的分子轨道式为:
(σ1s)2(σ1s*)2(σ2s)2(σ2s*)2(π2py)2(π2pz)2(σ2px) 2, 对成键有贡献的是三对电子，即形成两个π 键和一个σ键。由于N2分子中存在叁键N≡N， 所以N2分子具有很大的稳定性，将它分解为 原子需要吸收941.69kJ/mol的能量。N2分 子是已知的双原子分子中最稳定的。
氮化硅粉末粒型规整,粒度分布窄。
含量高,
但含碳和氧高,必须想办法除去多余的部分。
原理
液相法
液相法的化学反应式如下
-70C SiCl 4 6NH3 -30 Si(NH)2 4NH4 Cl
3Si(NH)2 Si3 N 4 2NH 3
1160C
1 降低反应温度和稀释反应物浓度 2 利用溶于有机溶剂中(如芳香族溶剂,该溶剂不溶于液 氨),反应时在界面进行,生成的沉淀析出,而副产物NH4Cl 溶于液氨中,得到的NH4ClHale Waihona Puke Baidu滤洗净后加热产生氮化硅
用化学纯的硅粉(粒径<10μm、纯度 至少在95%以上),在NH3,N2+H2或N2 气氛中直接与氮反应实现
3Si + 2N2 Si 3 N 4
1300-1500C
优点： 工艺流程简单,成本低。 缺点： 反应慢,故需较高的反应温度和较长的反应时间, 粒径分布较宽,而且产物是块状的需要进一步经过粉 碎、磨细和纯化才能达到质量要求。 改进： 用Mg还原得到的纳米尺寸的硅,可以在较低的温度 (1150℃)下氮化,得到的氮化硅无须碾磨,细度在 0.1~0.3μm之间。这预示着这种方法还有进一步发展 潜力。
早 期 对 基 团 的 研 究 提 出 两 种 结 构 式
-N3
具有对称性叠氮基团在某 种程度上有离子结合的
无机叠氮化合物组
具有共价键的
有机叠氮化合物组
通常离子型无机叠氮化合物的结构 分析研究较多,一般认为-N3基团结 构如同二氧化碳(O=C=O)的一样,属 于对称线性结构
有些叠氮化合物-N3基 团系不对称线性链状 结构.以HN3为例其典 型的结构为
原理
SiO2还原氮化法
将SiO2的细粉与碳粉混 合后,通过热还原首先生 成SiO2,然后SiO2再被氮 化生成块状的氮化硅。 总的化学反应式为
3SiO 2 + 2N2 6C Si 3 N 4 6CO
1300 -1700C
特点： 原料来源丰富, 反应产物是疏松粉末,毋需粉碎处理,从而避免 了杂质的重新引入,
原 子 晶 体 空 间 网 状 熔 点 ： 。 原 子 晶 体
1878 C
氮化硅基陶瓷
1 成本较高 2 质量保证缺乏可靠 3 抗机械冲击强度低 4 易发生脆性断裂
缺点
优点
1 密度和热膨胀系数小、 2 硬度大、 3 弹性模量高 4 热稳定性、化学稳定性和电绝缘性 5 好耐腐蚀、抗氧化, 6 表面摩擦系数小等
纳米氮化硅
纳米氮化硅粉体添加到立体光造型树脂中，能 够有效降低固化体积收缩率，提高零件的力学 性能和热稳定性。纳米氮化硅复合树脂基木满 足立体光（？）造型要求。
氮化硅微粉的制备方法
硅粉直接氮化法
SiO2还原氮化法 液相法 气相法
原理
硅粉直接氮化法
为 什 么 要 限 制 硅 粉 的 粒 径 和 纯 度 ？
氯的电负性3.0相接近.
因此早期的叠氮化合物的分类都是以传统的类卤
化物的概念,根据电离度来划分叠氮化合物.
化学键结构不同
分类
离子叠氮化合 物(NaN3)
重金属叠氮化合 物(Pb(N3)2)
共价键叠氮化合物 叠氮配位化合 (IN3) 物(Na2[Sn(N3)6])
叠氮化合物的分子结构与价键
•测定晶体结构的物理方法 •分子轨道理论
工业制氮
工业上一般将空气液化后分离出氮气
实 验 室 制 氮 法
• 加热亚硝酸铵的溶液：
NH4NO2(aq)→N2↑+2H2O NH4Cl+NaNO2→NaCl+2H2O+N2↑ 2NH3+3CuO→3Cu+3H2O+N2↑
• 亚硝酸钠与氯化铵的饱和溶液相互作用： • 将氨通过红热的氧化铜: • 氨与溴水的反应：
三个N原子上电子 云是均匀分布的
从上表可知： NA-NB介于碳碳单键和碳碳双键之间,NB-NC介于碳 碳双键和碳碳叁键之间
大多数叠氮化合物极其不稳定、易爆炸
使用制备时一定要注意安全
氮化硅
氮化硅的性能及应用
氮化硅微粉的制备方法
氮化硅的性能及应用
氮化硅基陶瓷
氮化硅纤维
氮化硅薄膜
纳米氮化硅
Si3N4的结构
• 重铬酸铵加热分解：
8NH3+3Br2(aq)→6NH4Br+N2↑ (NH4)2Cr2O7→Cr2O3+4H2O+N2↑
氮的氧化数
分
析
叠氮化合物是叠氮酸(HN3)的衍生物,它们的 分子特征是含有叠氮基(-N3) 根据Panling的经典电负性概念,叠氮基团的电负性 是2.95和3.18,与