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“連續法硅粉氮化法”的氮化硅粉體有啥優點?

發布時間 | 2022-07-05 17:48 分類 | 行業要聞 點擊量 | 1771
碳化硅 氮化硅 氮化硼 氧化硅 氧化鋁
導讀:?氮化硅粉是制備氮化硅陶瓷的重要原料,其制備成本的高昂是制約氮化硅材料大規模應用的重要原因。經了解,普通的氮化硅粉體10-30萬/每噸,而高性能的氮化硅粉體(如用于導熱基板粉體),氮化硅...

氮化硅粉是制備氮化硅陶瓷的重要原料,其制備成本的高昂是制約氮化硅材料大規模應用的重要原因。經了解,普通的氮化硅粉體10-30萬/每噸,而高性能的氮化硅粉體(如用于導熱基板粉體),氮化硅粉體界的金字塔--日本宇部氮化粉在我國甚至可以賣到超過100萬/噸。

氮化硅粉體

據說,純到極致的氮化硅粉體的顏色是這樣的(發白)

Si3N4陶瓷制品的性能與其原料粉體性能關系重大,通常高質量Si3N4粉體需要滿足粒徑細、粒度分布窄、α相含量高、雜質含量低等條件。例如,Si3N4粉體主要以α相和β相兩種晶相存在,這兩種晶型都屬于六方結構,其中α相Si3N4粉體顆粒較為細小,粒徑分布較為均勻,最重要的是其燒結活性較β相氮化硅粉體更高,在Si3N4陶瓷燒結致密化過程中能獲得更大的驅動力,因此高α相Si3N4粉體通常作為高致密度氮化硅陶瓷的燒結用粉。當然,在不同應用范疇,對粉體質量的要求是有所差別的,對于多晶硅領域的脫模劑來說,光伏級粉體需要滿足純度高和流動性好,而對于制備抗彎強度大且熱導率高的陶瓷基板和高性能軸承球來說,陶瓷級粉體除了要求具有較高的純度,而且還需要滿足低氧、超細、高α相等指標,因為這些指標都會直接決定基板和陶瓷球中的缺陷(晶格氧、氣孔)、雜質以及晶界尺寸,從而影響熱導率和抗彎強度。

碳化硅軸承

高檔軸承用氮化硅粉技術門檻極高

在現有技術中,已經開發出許多生產高純度氮化硅粉體的制備方法,目前主要有如下幾種基本工藝路線及其變體:①硅粉直接氮化法;②燃燒合成法;③硅酰亞胺分解法;④化學氣相合成法。

硅粉直接氮化法

常用的大規模制備氮化硅粉體方法,采用高純硅粉在NH3、N2+H2或N2氣氛中直接與氮反應實現,該反應制得Si3N4是塊狀的,需要經過后續粉碎加工獲得粉體。該反應合成Si3N4路徑相對簡單,不涉及生成雜相的副反應。理論上,采用超細、電子級高純Si粉就可以制備出高質量Si3N4粉體,但實際上硅粉氮化法最大的難題在于消除游離Si和獲得高α相Si3N4粉體。難以避免游離Si的內因在于合成反應受擴散傳質控制,Si粉難以被完全氮化。難以獲得高α相的內因在于α相轉化為β相較為容易,且對溫度非常敏感,通常1400℃以上α相就可緩慢轉化為β相且不可逆。

氧化硅碳熱還原

可實現大規模生產,其原理是在1400°C以上激活C粉的還原性,將SiO2粉體還原并氮化為Si3N4,這種方法α相、C含量以及金屬雜質都滿足高質量粉體的要求,由于技術原理所限所制取的粉體中的O含量相對較高,通常難以獲得O含量小于0.9%(質量)的粉體。這類粉體可用于制備對熱導率要求不高的結構陶瓷或光伏領域的脫模劑,難以用于制備高熱導率陶瓷,因為晶格中的氧雜質會散射聲子,降低熱導率。

硅酰亞胺分解法

硅酰亞胺分解法是一種廣為人知但應用較少的方法,用這種方法生產的Si3N4具有純度高、粒徑微細而且均勻等優點,但該工藝方法涉及到的工藝步驟較多并且有危險性較大的化學試劑存在,工藝難度極高,全球僅日本宇部一家能量產。

化學氣相合成法

該法的反應原理為氣相硅源,例如 SiCl4、SiH4、SiHCl3、SiBr4,等與NH3或N2和H2反應直接生成Si3N4粉體。不同反應體系合成Si3N4粉體的質量也不同。用于直接制備 Si3N4粉體難度較大,常需要高能等離子體輔助來合成粉體。由于等離子體火炬的溫度高且溫度梯度非常大,導致粉體主要為β相Si3N4粉體。此外,等離子體設備成本較高,產能較小,常見于實驗室研究。

盡管硅粉氮化法有不少缺點,但是產業界還是廣泛采用直接氮化法制備高α相的氮化硅粉體,硅粉氮化法的共性難點在于強化固相傳質和精準控制熱量工藝設計。

硅粉氮化法通常采用間歇式的方式生產,為了確保熱量的傳遞通常為將Si粉緊密堆積或壓制成較致密的柱體,因此直接氮化法制備的氮化硅粉體一般呈較堅硬的塊狀,若要得到粉末還需要破碎研磨等工序,這不僅增加了工藝步驟,而且破碎研磨過程中很容易帶入金屬等外來的雜質,降低了產物的純度。但我們在Alzchem官網我們看到這樣的的描述:Alzchem氮化硅粉通過直接的硅粉氮化而成,采用的連續生產過程和純干式加工步驟,氮化硅粉末顯示出非常穩定和均勻的高質量。據稱,通過Alzchem連續工藝制備出來的氮化硅粉體為蓬松的球型多孔氮化硅(不是常見的塊狀),經適當的研磨分散可獲得粒度細小,顆粒分布均勻的粉體(下附Alzchem阿茲肯氮化硅粉體技術參數),同時極低的O含量≤0.3%(總氧含量)。雖然在工藝上我們找到沒有更多的仔細描述,但參考國內的文獻,我們知道氮化硅的連續化生產的一個重要思路是結合流化床連續供料的方式來實現。

Alzchem阿茲肯氮化硅粉體技術參數

Alzchem阿茲肯氮化硅粉體技術參數

 

Alzchem阿茲肯授權經銷商--肯樸新材料

黃經理(右)到訪粉體圈

如果您對Alzchem阿茲肯氮化硅想關產品感興趣,歡迎您與Alzchem阿茲肯氮化硅粉在國內的授權經銷商肯樸(廈門)新材料有限公司取得聯系。

Alzchem阿茲肯氮化硅相關產品及應用范圍  

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氮化硅

除了氮化硅原粉,阿肯茲還提供更方便應用的氮化硅造粒粉及注塑料

肯樸(廈門)新材料除了代理Alzchem阿茲肯氮化硅粉,也是Baikowski高純氧化鋁粉,以及 碳化硅晶須、氧化鋁連續纖維、氮化硼多壁納米管的授權經銷商。

 

粉體圈編輯:Alpha

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作者:粉體圈

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