氮化硅材料簡介
氮化硅材料簡介


中文名稱:氮化硅  三氮化四硅


英文名稱:SILICON NITRIDE 


化 學 式:Si3N4 


C A S 號:12033-89-5


EINECS號:234-796-8


材料性質:


氮化硅是人工合成的一種新興材料,具有金剛石型三維晶格結構,所以具有高溫熱穩定性、抗熱震性、化學穩定性和良好的電絕緣性及質硬性。氮化硅材料制品的強度很高,尤其是熱壓燒結后的氮化硅,是世界上最堅硬的物質之一。氮化硅相對分子質量140.28。呈白色或灰白色(有雜質或殘留未反應硅情況下)。晶體呈六面體。密度3.44g/cm3。莫氏硬度9~9.5,維氏硬度約為2200,顯微硬度為32630MPa。熔點1900℃(加壓下)。通常在常壓下1900℃分解。比熱容0.71J/(g·K)。生成熱為-751.57kJ/mol。熱導率為16.7W/(m·K)。線膨脹系數為2.75×10-6/℃(20~1000℃)。在空氣中開始氧化的溫度1300~1400℃。比體積電阻,20℃時為1.4×105·m,500℃時為4×108·m。彈性模量為28420~46060MPa。其制品耐壓強度為490MPa(反應燒結所得)。氮化硅在1200℃的高溫環境下,強度也不會改變,受熱后不會熔成融體,一直到1900℃才會分解為氮和硅。


溶解反應:


除氫氟酸外(反應方程式:Si3N4+12HF═3SiF4↑+4NH3↑),氮化硅與水幾乎不發生作用,也不與其他無機酸和30%以下的燒堿溶液反應,抗腐蝕能力極強。


晶體結構:


氮化硅(Si3N4)存在有3種結晶結構,分別是α、β和γ三相。α和β兩相是Si3N4最常出現的型式,且可以在常壓下制備。α型為六方密堆積結構,β型為似晶石結構。γ相只有在高壓及高溫下,才能合成得到,它的硬度可達到35GPa,但目前國內尚未得到工業應用。


部分合成原理:


六方Si3N4可在1300-1400°C的條件下用單質硅和氮氣直接進行化合反應得到氮化硅:


3Si(s) + 2N2(g) → Si3N4(s)


也可用二亞胺合成


SiCl4(l) + 6NH3(g) → Si(NH)2(s) + 4NH4Cl(s) 在0°C的條件下


3Si(NH)2(s) → Si3N4(s) + N2(g) + 3H2(g) 在1000°C的條件下


或用碳熱還原反應在1400-1450°C的氮氣氣氛下合成:


3SiO2(s) + 6C(s) + 2N2(g) → Si3N4(s) + 6CO(g)


對單質硅的粉末進行滲氮處理的合成方法是在二十世紀50年代隨著對氮化硅的重新“發現”而開發出來的。是第一種用于大量生產氮化硅粉末的方法,也是目前最為可靠的方法。但如果使用的硅原料純度低會使得生產出的氮化硅含有雜質硅酸鹽和鐵。


用二胺分解法合成的氮化硅是無定形態的,需要進一步在1400-1500°C的氮氣下做退火處理才能將之轉化為晶態粉末,二胺分解法在重要性方面是僅次于滲氮法的商品化生產氮化硅的方法。碳熱還原反應也是制造氮化硅的比較便捷的途徑。


同時氮化硅也可以通過化學氣相沉積或者等離子體增強化學氣相沉積等技術制造:


3SiH4(g) + 4NH3(g) → Si3N4(s) + 12H2(g)


3SiCl4(g) + 4NH3(g) → Si3N4(s) + 12HCl(g)


3SiCl2H2(g) + 4NH3(g) → Si3N4(s) + 6HCl(g) + 6H2(g)