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氮化物陶瓷及其典型应用
2019年08月28日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:176
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本文关键词:#氮化物陶瓷#;#氮化硅陶瓷#;#氮化铝陶瓷#;#氮化硼陶瓷#;#碳氮化钛陶瓷#;#塞隆陶瓷#;#氮化物半导体材料#;

氮化物晶体结构度属于六方晶系和六方晶系,工业上所用的一般需人工合成。根据氮化物物理性质和化学键的特点,氮化物可分为非金属氮化物「如Si3N4BN」和金属氮化物「如AlNTiN」;一部分氮化物,如Si3N4BN、AlN等在高温下不出现熔融状态而直接分解;氮化物一般都具有高的硬度「例如立方氮化硼莫氏硬度可达9.7,PS金刚石的是10」,可用作切削材料和超硬涂层,个别硬度很低,例如六方氮化硼莫氏硬度为2,是一种类似于二氧化钼的高温润滑剂。与碳化物一样,氮化物通常是耐高温材料。氮化物通常带有很大带隙,因此氮化物通常是绝缘体或宽带隙半导体,例如氮化硼、氮化硅、氮化镓等。此外,氮化物还可以吸收氢气,如氮化锂可作为储氢材料。

不同的氮化物陶瓷拥有其自己独特性质从而在不同领域受到重用,例如氮化铝(AlN)以其优异的导热性能和良好的耐化学性能而闻名;六方氮化硼(BN)因其柔软性和润滑性能而闻名氮化硅(Si3N4)具有良好抗热震性和断裂韧性。氮化物陶瓷材料家族庞大,应用范围极广,下文将对氮化物陶瓷的部分家族成员及其应用进行概述。

氮化铝陶瓷

氮化铝陶瓷最大的特点是其具有非常高的导热性(理论导热系数约为氧化铝的10倍)、良好的金属化能力、优异的电绝缘性能及接近于硅的热膨胀系数。这使得氮化铝极为适用电力和微电子应用。例如,可作高功率LED和高功率电子理想的散热或封装材料。

↑↑↑高导热氮化铝氮化铝基板

AlN的理论导热系数约为280Wm-1K-1。实际导热系数取决于加工条件和原料纯度。晶格中的氧杂质的存在是一个主要的危害,当氧取代晶格中的氮时,它会产生空位,从而中断声子的传播和散射声子,从而降低热导率。Si、Fe含量超过0.02%即可以降低其绝缘性。氮化铝粉体的制备方法很多,详看相关阅读:不同的铝源,共同的目标---氮化铝的制备

↑↑↑氧化铝,氮化铝,氧化铍及立方氮化硼(制备超困难)的热导率

经典应用
高导热陶瓷电子产品的电气绝缘封装金属和盐熔体的坩埚聚合物用导热填料大功率电路基片。

氮化硅陶瓷

氮化硅陶瓷是结构陶瓷家族中综合性能最为优良的一类材料,其优异的性能对于现代技术常常遇到的高温、高速、强腐蚀介质的工作环境,具有特殊的使用价值,其比较突出的性能有:①机械强度高,硬度接近于刚玉,有自润滑性,耐磨。室温抗弯强度可以高达980MPa以上,能与合金钢相比,而且其强度可以一直为在1200℃的下保持不下降。②热稳定性好,热膨胀系数小,有良好的导热性能,所以抗热震性很好,从室温到1000℃的热冲击不会开裂。③化学性能稳定,几乎可耐一切无机酸(HF除外)和浓度在30%以下的烧碱溶液的腐蚀,也可耐很多有机物物质的侵蚀,对多种有色金属溶液特别是铝液不润湿,能经受强烈的放射辐射。④密度低,比重小(仅为刚的2/5),电绝缘性好。

经典应用:

干式自润滑切割工具轴承组件如高精度轴承),大功率电路散热基板,汽车发动机中的重型部件用于机械工程的高性能部件冶金热电偶保护管坩埚),化学工程如热交换器),纺织机械中的功能部件硅锭生产中的脱模剂等。

↑↑↑高精密氮化硅轴承球

氮化硼陶瓷

BN具有高导热性和良好抗热震性,其物理与化学特性与石墨相近BN有立方体与六方体两种常见的晶型结构立方氮化硼(cBN)如钻石般的坚硬与耐磨而六方氮化硼hBN则有如石墨般的柔软细滑是常见的白色粉状体,故有白石墨之称与石墨不同的是,它是一种电绝缘体,虽然不是像可加工陶瓷那样容易加工,但在这方面它优于其他传统陶瓷。

六方氮化硼经典应用:

六方氮化硼粉末有如石墨与二硫化钼(MoS2)近似的特性这些特性包括晶体结构 、低剪应力、附着于固体润滑薄膜、低磨耗与耐高温化学稳定度。在许多情况下,hBN有着比传统润滑材料更佳的表现,尤其在附着力与耐高温之化学稳定度上更为突出当前广泛六方氮化硼应用于高温应用的固体润滑剂,压铸和注塑脱模,立方氮化硼原料,聚合物用导热填料,熔融金属用坩埚,热压BN零件的原料,耐火材料。

除此之外,由于六方氮化硼绝对光滑,粉体之间摩擦系数非常低,其原子结构每一层都含有硼和氮,各层之间没有硼-氮键合,因此平面在彼此之间滑动,从而得到柔软和润滑的效果,用在化妆品中可带来柔滑细腻的肤感体验,因而非常适用于装饰化妆品配方中的添加剂(粉剂、睫毛膏、眼线笔等)等。

↑↑↑水分散氮化硼用于化妆品(来源联锴粉体)

立方氮化硼经典应用:

立方氮化硼的性能主要包括高硬度和热稳定性,显微硬度仅次于人造金刚石。其热稳定性优于人造金刚石,在高温下仍能保持足够高的力学性能和硬度,具有很好的红硬性;结构稳定,具有高的抗氧化能力,化学稳定性好,与金刚石相比尤其好,在高达1100~1300℃的温度下也不与铁族元素起化学反应,因此特别适合于加工黑色金属材料;导热系数比金刚石小,但比硬质合金高,具有良好的导热性;抗弯强度高;作为磨具材料,使用寿命长、耐磨性好。

碳氮化钛基硬质合金(金属陶瓷)

碳氮化钛,分子式是:Ti(C,N),Ti(C,N)基陶瓷是在TiC材料基础上发展起来的一种新型金属陶瓷,目前主要用于刀具材料,Ti(C,N)基具有较好的耐磨性和高温性能、理想的抗月牙洼磨损能力,优良的抗氧化能力和化学稳定性,已成为WC-Co基硬质合金的主要代替品之一。

↑↑↑Ti(C,N)棒材及SEM照片(来源:吉林长玉特陶)

碳氮化钛组成及性能特性:TiC和TiN是构成Ti(C,N)的基础,它们均具有面心立方点阵的NaCl型结构。这种晶体结构使TiN和TiC形成连续固溶体。Ti(C,N)基金属陶瓷的主要成分是Ti(C,N),通常以Co-Ni作为黏结剂,以其它碳化物为添加剂,如WC、Mo2C、(Ta,Nb)C、Cr3C2VC、AlN等。Ti(C,N)基金属陶瓷的物理性能和机械性能可以在一定范围内调整。由于加入了各种碳化物添加剂,并以Co-Ni为黏结剂,从而大大的改善了金属陶瓷的综合性能。加入一定量高熔点的TaC、NbC可改善合金的抗塑性变形能力,VC可提高合金的抗剪强度,改善合金的机械性能。MoC可提高Co-Ni黏结剂的强度,并在碳化物、氮化物和黏结剂间起连接作用。

有多耐磨?在相同的切削条件下,Ti(C,N)基金属陶瓷刀具的耐磨性远远高于WC基及涂层金属陶瓷。在高速下,Ti(C,N)基金属陶瓷比YT14、YT15合金的耐磨性高5倍~8倍,比YC10合金高0.3倍~1.3倍,比涂层金属陶瓷高0.5~3倍。

经典应用Ti(C,N)基金属陶瓷具有高硬度,良好的耐磨性,良好的化学稳定性,可用于高速数控刀具材料石化工业中各种密封环和阀门,黑色金属陶瓷等。

↑↑↑工业切削刀具级别的黑色金属陶瓷材料可用作腕表外壳材料,贼硬朗贼耐刮,好看又耐打

塞隆Sialon)陶瓷

Sialon是硅,铝,氧和氮的首字母缩写Si-al-o-n,是结合AlO的氮化硅基陶瓷Si3N4Si、N原子被Al或(Al+M)(M=Li、Cu、Mg、Y、R等)及O原子置换所形成的一大类固溶体的总称,因其晶体构型不同而具有不同的结构和性质。

↑↑↑电镜下某牌号塞隆陶瓷的α-sialon及β-sialon

Sialon陶瓷的主要类别有β’-Sialon、α’-Sialon、O’-Sialon三种,尤以前两种最为常见α-Sialon相非常硬α-Si3N4为基的固溶体,而β-Sialon相(与β-Si3N4相类似的结构)表现出高水平的断裂韧性。α-Sialonβ-Sialon和晶界相的相分数可以在很宽的范围内调节,这使得可以适应α/β-SiAlON的材料特性以满足不同应用的要求。在特殊条件下,甚至可以生产梯度材料,其表面上含有比内部更高比例的α-SSialonα-Sialon部分的梯度使得可转位刀片的表面硬度高于芯部,内部的断裂韧性仍然很高这大大提高了陶瓷切割刀具的耐磨性。通过掺入碳化硅等硬质材料,可以进一步提高α/β-Sialon的硬度和耐磨性。

经典应用:

Sialon了继承了氮化硅的韧性外,还具有优异的耐热性,高温下有高的机械强度,耐热冲击性和耐磨性。Sialon非常难切削的高温合金的高速加工中表现极为卓越

Sialon陶瓷广泛用于有色金属熔融金属处理,特别是铝及其合金,包括铝压铸金属进料管,燃烧器和浸入式加热管,有色金属喷射器,热电偶保护管,坩埚和钢包。由于Sialon陶瓷具有优异的化学稳定性耐腐蚀性以及耐磨性化学和加工工业以及石油和天然气工业也有所应用。

↑↑↑塞隆陶瓷及氮化硅陶瓷制品(来源:InternationalSyalons)

氮化物半导体材料

III族氮化物为代表的第三代半导体材料,多为禁带宽度显著大于Si和GaAs的宽禁带半导体材料(InN除外),是实现高效率、高性能光电子和微电子器件的基础。因此,被公认是当前国际光电信息技术领域的战略制高点,各国均投入大量人力物力进行相关研发。

III族氮化物半导体材料InNGaNAlN这三者及其合金为主,全部为直接带隙,构成高亮度发光材料。InGaN量子阱是可见光波段发光器件的核心,AlGaN量子阱是深紫外光电子器件的关键材料,而AlGaN/GaN异质结构,则是电力电子器件和微波通讯器件的核心材料。

经典应用:

半导体照明:高亮度紫外、蓝光、绿光和白光的光发射二极管(LED)

激光显示:蓝、绿激光器(LD)

生物与医疗:紫外(UV)LED与光传感器

高频大功率器件:高温大功率场效应晶体管(FET)

新能源:全太阳光谱光伏电池

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备注:

GaN材料体系中的InGaN(铟镓氮)太阳能电池的光学带隙可连续调节,特别适合于制作多结叠层太阳能光伏电池,实现全太阳可见光谱能量的吸收利用,提高光伏电池的转换效率。其理论转换效率可达70%,远远超过其他材料体系。同时,InGaN的抗辐射能力远强于目前常用的Si、GaAs等太阳能电池材料,更适合应用于存在强辐射的外太空环境中,如为外太空航天器提供动力的太阳帆,因此InGaN太阳能电池在航空航天等领域也有广泛应用。

月牙洼磨损:刀具磨损的形态一般有:前刀面磨损和后刀面磨损。前刀面磨损:当切削塑性材料时,切削厚度和切削速度都比较大时,切屑在前刀面会磨损出洼凹,这个洼凹称“月牙洼”。“月牙洼”产生的地方是切削温度最高的地方。“月牙洼”磨损是刀具在切削过程中常见的一种磨损形式。当切屑高速度流过前刀面时,在切屑与前刀面紧密接触地方,在磨料磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化(化学)磨损共同作用下,前刀面逐步形成凹坑。此凹坑在继续切削过程中向切削刃方向扩展直到最后损坏切削刃。这种磨损形式称为“月牙洼”磨损,“月牙洼”磨损说明刀具材料硬度和耐磨性不足。

粉体圈 编辑:小白


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