氮化硅（Si₃N₄）具有高強度、高硬度、耐腐耐磨、抗氧化等優異的性能，被廣泛用作電子封裝材料、耐火材料、耐腐耐磨零部件、發動機及燃氣輪機部件、高速切削工具等。目前，工業上制備氮化硅的方法主要有碳熱還原法、直接氮化法、燃燒合成法和氨解法等。

擴展閱讀：

1. 氮化硅粉體的制備與氮化硅陶瓷的應用

2. 如何通過控制工藝制備高性能Si₃N₄粉體

其中，碳熱還原法難以控制產物中SiC的量，燃燒合成法的氮化反應控制難度較大，氨解法制備流程長條件復雜，直接氮化法是大規模生產的主要制備方法，但其存在諸多問題：（1）氮化溫度要求高（>1450℃），能源消耗大，增加生產成本；（2）由于N₂在熔融硅中的擴散非常緩慢，難以實現原料硅的完全氮化；（3）在最終產品中形成Si₃N₄晶須的數量有限。

采用催化氮化法可一定程度上改進以上問題，催化氮化法是將不同形式的催化劑與硅粉混合，一定溫度下在氮氣/氮氨氣氛中催化氮化制備氮化硅，該方法具有以下優勢：

（1）催化劑的引入可以實現硅粉在較低溫度下的完全氮化，并顯著縮短氮化時間；

（2）改變產物氮化硅的形貌，促進氮化硅晶須的大量生成，進而提高制品的性能；

（3）調控產物中α-Si₃N₄和β-Si₃N₄的含量。

氮化硅的兩種晶體結構

因此，近年來催化氮化法制備氮化硅成為國內外研究的熱點。

幾種催化氮化法的制備方法

1. 以金屬單質為催化劑催化氮化制備Si₃N₄

目前，直接使用金屬單質作為催化劑進行硅粉氮化，會加快氮化速率，降低氮化的初始溫度。金屬單質對Si催化氮化的主要作用為：

（1）通過形成低熔點相為硅或氮提供了快速擴散路徑，促進硅的氮化和α-Si₃N₄、β-Si₃N₄的形成，例如FeSi_x和Cr_xSi_y等；

（2）金屬納米顆粒具有較高的比表面積，比硅粉顆粒更易吸附N₂；

（3）金屬單質向N₂分子轉移電子，增加了N₂分子中的鍵長，減弱了鍵強度，在較低溫度下解離為N原子，進而加快了Si粉的氮化。

但是，納米級金屬顆粒活性過高，易導致團聚；金屬單質粒徑過大、活性又較低，導致添加量增加，均影響氮化效率，并且金屬單質熔點普遍較低，過多加入會影響制品的高溫性能。

2. 以金屬氧化物為催化劑催化氮化制備Si₃N₄

近年來研究表明金屬氧化物常作為催化劑，提高Si的氮化效率，主要分為過渡金屬氧化物和稀土氧化物兩種。

（1）過渡金屬氧化物作為催化劑

過渡金屬氧化物作為催化劑促進Si催化氮化的主要作用是：過渡金屬氧化物和過渡金屬氮化物的相互轉化降低了氮化的初始溫度，有效地增強了氮化反應。同時，氮化硅晶須的大量生成，還能有效提高制品的力學性能。但是過渡金屬氧化物熔點較低，可能影響制品的高溫性能。

（2）稀土氧化物作為催化劑

添加過渡金屬氧化物容易影響制品的高溫性能，稀土氧化物憑借高熔點、化學活性高和氧化還原能力強等特性，也常用于催化氮化制備氮化硅。

研究表明，絕大多數稀土氧化物都能促進Si粉的催化氮化，例如CeO₂、Eu₂O₃、Y₂O₃、La₂O₃等，但是要達到較好的催化效果其添加量往往較多，因此考慮到成本昂貴和稀土資源的特殊性，用在實際生產中有待商榷。

總結

以金屬/金屬氧化物作為催化劑，通過催化氮化工藝制備Si₃N₄不僅可以降低氮化溫度，提高氮化的效率，而且還可以通過工藝參數的調控合成不同形貌、性能優異的氮化硅材料，但該方法仍存在諸多問題：

（1）直接采用納米級催化劑催化氮化硅粉，存在催化劑難以均勻分散、用量大等問題；

（2）目前使用的催化劑粒徑仍然相對較大，其催化活性較低；

（3）催化劑-硅液會在局部形成低熔點相，可能會影響最終樣品的高溫使用性能；

（4）催化劑促進氮化的機制研究不透徹，催化劑除了具有促進氮氣分子分解的作用之外，是否還具有其他促進氮化的作用尚不清楚。

鑒于國內外催化氮化制備Si₃N₄的研究狀況，未來催化氮化法制備氮化硅工藝的研究重點應集中在以下幾個方面：

（1）采用納米技術，合成均勻分散的高活性金屬/金屬氧化物納米顆粒催化硅粉氮化；

（2）雙金屬納米催化劑具有比單金屬更高的催化活性，應選擇合適的雙金屬納米顆粒催化氮化制備氮化硅，進一步減少催化劑用量并提高氮化效率；

（3）深入研究不同類型催化劑的催化氮化機制以及其調控產物Si₃N₄粉體物相組成的內在機制。

參考來源：

1. 催化氮化制備氮化硅研究進展，王鑫、王軍凱、黃珍霞、孟浩、王一菲、溫研科（耐火材料）；

2. 氮化溫度對直接氮化法制備氮化硅纖維材料顯微結構的影響，趙鑫、王剛、韓建燊（耐火材料）；

3. 催化氮化制備氮化硅粉體，趙萬國、古亞軍、李發亮（硅酸鹽通報）。

粉體圈小吉

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