氮化硅的制备性质及应用
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• 在工业性能上， Si3N4材料表现出了较好的工艺性能。（1）机械强度高，硬度接近于刚玉，
有自润滑性耐磨；（2）热稳定性高，热膨胀系数小，有良好的导热性能；（3）化学性能
稳定，能经受强烈的辐射照射等等。
陶瓷
太阳能电池上 的氮化硅膜
窑具
高导热性涂料
切削工具
陶瓷球轴承
阀门
5
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• 常用的制备方法有 ：
硅粉直接氮化法 卤化硅氨解法 化学复分解法 硅合金氨解法 等
碳热还原法 制备前驱体法 原位合成法
6
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合成方法
在1300-1400℃的条件下用单质硅和氮气直接进行化学反应获得 3 Si(s) + 2 N2(g) → Si3N4(s)
7
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卤化硅氨解法
亚氨基硅
SiCl4(l) + 6 NH3(g) → Si(NH)2(s) + 4 NH4Cl(s) 在0℃的条件下 3 Si(NH)2(s) → Si3N4(s) + N2(g) + 3 H2(g) 在1000 ℃的条件下
决的难题， 刻不容缓。关键在于对其合成工艺进行改进。
16
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前景
21世纪氮化硅陶瓷将同金属、 有机高分子材料继 续为人类社会的进步、 科技的发展发挥更大的作 用。
17
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18
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
碳热还原法
用碳热还原反应在1400-1450℃的氮气气氛下合成
3 SiO2(s) + 6 C(s) + 2 N2(g) → Si3N4(s) + 6 CO
8
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电子级氮化硅薄膜通过化学气相沉积法制造 3 SiH4(g) + 4 NH3(g) → Si3N4(s) + 12 H2(g) 3 SiCl4(g) + 4 NH3(g) → Si3N4(s) + 12 HCl(g) 3 SiCl2H2(g) + 4 NH3(g) → Si3N4(s) + 6 HCl(g) + 6 H2(g)
时也给生产带来了安全隐患。从国内外氮化硅粉体的指标测试和试烧结果看来，
国内最具代表性企业生产的 Si3N4 平均颗粒在 3 微米左右， 金属杂质含量较高， 难以达到合格产品要求， 而进口的粉体为 0.7 微米以下。因此， 为满足市场需
求， 工业化生产超微、 高质量的氮化硅粉末是国内氮化硅行业发展中亟待解
热压烧结法 将氮化硅粉与少量添加剂（如 MgO、Al2O3、MgF2、AlF3或 Fe2O3等），在19.6MPa以上的 压力和1600~1700℃条件下压热 成型烧结。 制得的产品比反应烧结制得的产 品密度高，性能好。
10
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应用 机械工业
轴承滚珠
密封材料
陶瓷刀具
滚珠座圈
主泵柱塞 11
11
冶金工业
氮化硅的制备、性质及应用
江福炜 汤梓聪
1
1
提纲
·氮化硅的物理性质 ·氮化硅的化学结构 ·氮化硅的性能 ·氮化硅的制备方法 ·氮化硅的应用 ·国内形势 ·前景
2
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呈灰色、白色或灰白色 六方晶系，晶体呈六面体 不溶于水，溶于氢氟酸
莫氏硬度： 9~9.5 维氏硬度：约2200 显微硬度： 32630MPa 熔点 ：1900℃（加压下）
9
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氮化硅陶瓷制品的生产方法
反应烧结法 将硅粉或硅粉与氮化硅粉的混合 料按一般陶瓷制品生产方法成型。 然后在氮化炉内，在1150~1200℃ 预氮化，获得一定强度后，可在 机床上进行机械加工，接着在 1350~1450℃进一步氮化18~36h， 直到全部变为氮化硅为止。 制得产品尺寸精确，体积稳定。
常压下1900℃分解 比热容：0.71J/(g·K) 热导率：16.7W/(m·K) 比体积电阻：20℃时1.4×105 ·m
500℃时为 4×108 ·m
耐压强度：490MPa（反应烧结的） 抗弯强度：147MPa
3
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其共价键长较短， Si3N4成键电 子数目多，原子间排列的方向性强 ，相邻原子间相互作用大。存在两 种由[Si-N4]四面体结构以不同的堆 砌方式堆砌而成的三维网络晶形， 一个是α-Si3N4，另一个是β-Si3N4 。正是由于[Si-N4]四面体结构单元 的存在，Si3N4具有较高的硬度。
氮化硅热电偶保护管
坩埚
升热管
脱硫喷嘴
12
12
其他领域
13
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其他领域
14
14
其他领域
15
15
国内形势
• 普遍存在如下不足 ： 由大颗粒氮化硅、 多相粉体烧结制备， 脆性大、 均匀性 差、 可靠性低、 韧性和强度差
• 而硅粉直接氮化法制备氮化硅粉体要求氮气压力必须足够高， 以实现 Si 和 N2 的充分接触。一般燃烧合成Si3N4 的氮气压力低限是3MPa， 但有时高达 100MPa以上。采用高压合成工艺不仅因设备投资高而且增加了生产成本， 同
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• 在工业性能上， Si3N4材料表现出了较好的工艺性能。（1）机械强度高，硬度接近于刚玉，
有自润滑性耐磨；（2）热稳定性高，热膨胀系数小，有良好的导热性能；（3）化学性能
稳定，能经受强烈的辐射照射等等。
陶瓷
太阳能电池上 的氮化硅膜
窑具
高导热性涂料
切削工具
陶瓷球轴承
阀门
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• 常用的制备方法有 ：
硅粉直接氮化法 卤化硅氨解法 化学复分解法 硅合金氨解法 等
碳热还原法 制备前驱体法 原位合成法
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合成方法
在1300-1400℃的条件下用单质硅和氮气直接进行化学反应获得 3 Si(s) + 2 N2(g) → Si3N4(s)
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卤化硅氨解法
亚氨基硅
SiCl4(l) + 6 NH3(g) → Si(NH)2(s) + 4 NH4Cl(s) 在0℃的条件下 3 Si(NH)2(s) → Si3N4(s) + N2(g) + 3 H2(g) 在1000 ℃的条件下
决的难题， 刻不容缓。关键在于对其合成工艺进行改进。
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前景
21世纪氮化硅陶瓷将同金属、 有机高分子材料继 续为人类社会的进步、 科技的发展发挥更大的作 用。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
碳热还原法
用碳热还原反应在1400-1450℃的氮气气氛下合成
3 SiO2(s) + 6 C(s) + 2 N2(g) → Si3N4(s) + 6 CO
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电子级氮化硅薄膜通过化学气相沉积法制造 3 SiH4(g) + 4 NH3(g) → Si3N4(s) + 12 H2(g) 3 SiCl4(g) + 4 NH3(g) → Si3N4(s) + 12 HCl(g) 3 SiCl2H2(g) + 4 NH3(g) → Si3N4(s) + 6 HCl(g) + 6 H2(g)
时也给生产带来了安全隐患。从国内外氮化硅粉体的指标测试和试烧结果看来，
国内最具代表性企业生产的 Si3N4 平均颗粒在 3 微米左右， 金属杂质含量较高， 难以达到合格产品要求， 而进口的粉体为 0.7 微米以下。因此， 为满足市场需
求， 工业化生产超微、 高质量的氮化硅粉末是国内氮化硅行业发展中亟待解
热压烧结法 将氮化硅粉与少量添加剂（如 MgO、Al2O3、MgF2、AlF3或 Fe2O3等），在19.6MPa以上的 压力和1600~1700℃条件下压热 成型烧结。 制得的产品比反应烧结制得的产 品密度高，性能好。
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应用 机械工业
轴承滚珠
密封材料
陶瓷刀具
滚珠座圈
主泵柱塞 11
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冶金工业
氮化硅的制备、性质及应用
江福炜 汤梓聪
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提纲
·氮化硅的物理性质 ·氮化硅的化学结构 ·氮化硅的性能 ·氮化硅的制备方法 ·氮化硅的应用 ·国内形势 ·前景
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呈灰色、白色或灰白色 六方晶系，晶体呈六面体 不溶于水，溶于氢氟酸
莫氏硬度： 9~9.5 维氏硬度：约2200 显微硬度： 32630MPa 熔点 ：1900℃（加压下）
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氮化硅陶瓷制品的生产方法
反应烧结法 将硅粉或硅粉与氮化硅粉的混合 料按一般陶瓷制品生产方法成型。 然后在氮化炉内，在1150~1200℃ 预氮化，获得一定强度后，可在 机床上进行机械加工，接着在 1350~1450℃进一步氮化18~36h， 直到全部变为氮化硅为止。 制得产品尺寸精确，体积稳定。
常压下1900℃分解 比热容：0.71J/(g·K) 热导率：16.7W/(m·K) 比体积电阻：20℃时1.4×105 ·m
500℃时为 4×108 ·m
耐压强度：490MPa（反应烧结的） 抗弯强度：147MPa
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其共价键长较短， Si3N4成键电 子数目多，原子间排列的方向性强 ，相邻原子间相互作用大。存在两 种由[Si-N4]四面体结构以不同的堆 砌方式堆砌而成的三维网络晶形， 一个是α-Si3N4，另一个是β-Si3N4 。正是由于[Si-N4]四面体结构单元 的存在，Si3N4具有较高的硬度。
氮化硅热电偶保护管
坩埚
升热管
脱硫喷嘴
12
12
其他领域
13
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其他领域
14
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其他领域
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国内形势
• 普遍存在如下不足 ： 由大颗粒氮化硅、 多相粉体烧结制备， 脆性大、 均匀性 差、 可靠性低、 韧性和强度差
• 而硅粉直接氮化法制备氮化硅粉体要求氮气压力必须足够高， 以实现 Si 和 N2 的充分接触。一般燃烧合成Si3N4 的氮气压力低限是3MPa， 但有时高达 100MPa以上。采用高压合成工艺不仅因设备投资高而且增加了生产成本， 同