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“连续法硅粉氮化法”的氮化硅粉体有啥优点?
2022年07月05日 发布 分类:行业要闻 点击量:829
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氮化硅粉是制备氮化硅陶瓷的重要原料,其制备成本的高昂是制约氮化硅材料大规模应用的重要原因。经了解,普通的氮化硅粉体10-30万/每吨,而高性能的氮化硅粉体(如用于导热基板粉体),氮化硅粉体界的金字塔--日本宇部氮化粉在我国甚至可以卖到超过100万/吨。

氮化硅粉体

据说,纯到极致的氮化硅粉体的颜色是这样的(发白)

Si3N4陶瓷制品的性能与其原料粉体性能关系重大,通常高质量Si3N4粉体需要满足粒径细、粒度分布窄、α相含量高、杂质含量低等条件。例如,Si3N4粉体主要以α相和β相两种晶相存在,这两种晶型都属于六方结构,其中α相Si3N4粉体颗粒较为细小,粒径分布较为均匀,最重要的是其烧结活性较β相氮化硅粉体更高,在Si3N4陶瓷烧结致密化过程中能获得更大的驱动力,因此高α相Si3N4粉体通常作为高致密度氮化硅陶瓷的烧结用粉。当然,在不同应用范畴,对粉体质量的要求是有所差别的,对于多晶硅领域的脱模剂来说,光伏级粉体需要满足纯度高和流动性好,而对于制备抗弯强度大且热导率高的陶瓷基板和高性能轴承球来说,陶瓷级粉体除了要求具有较高的纯度,而且还需要满足低氧、超细、高α相等指标,因为这些指标都会直接决定基板和陶瓷球中的缺陷(晶格氧、气孔)、杂质以及晶界尺寸,从而影响热导率和抗弯强度。

碳化硅轴承

高档轴承用氮化硅粉技术门槛极高

在现有技术中,已经开发出许多生产高纯度氮化硅粉体的制备方法,目前主要有如下几种基本工艺路线及其变体:①硅粉直接氮化法;②燃烧合成法;③硅酰亚胺分解法;④化学气相合成法。

硅粉直接氮化法

常用的大规模制备氮化硅粉体方法,采用高纯硅粉在NH3、N2+H2或N2气氛中直接与氮反应实现,该反应制得Si3N4是块状的,需要经过后续粉碎加工获得粉体。该反应合成Si3N4路径相对简单,不涉及生成杂相的副反应。理论上,采用超细、电子级高纯Si粉就可以制备出高质量Si3N4粉体,但实际上硅粉氮化法最大的难题在于消除游离Si和获得高α相Si3N4粉体。难以避免游离Si的内因在于合成反应受扩散传质控制,Si粉难以被完全氮化。难以获得高α相的内因在于α相转化为β相较为容易,且对温度非常敏感,通常1400℃以上α相就可缓慢转化为β相且不可逆。

氧化硅碳热还原

可实现大规模生产,其原理是在1400°C以上激活C粉的还原性,将SiO2粉体还原并氮化为Si3N4,这种方法α相、C含量以及金属杂质都满足高质量粉体的要求,由于技术原理所限所制取的粉体中的O含量相对较高,通常难以获得O含量小于0.9%(质量)的粉体。这类粉体可用于制备对热导率要求不高的结构陶瓷或光伏领域的脱模剂,难以用于制备高热导率陶瓷,因为晶格中的氧杂质会散射声子,降低热导率。

硅酰亚胺分解法

硅酰亚胺分解法是一种广为人知但应用较少的方法,用这种方法生产的Si3N4具有纯度高、粒径微细而且均匀等优点,但该工艺方法涉及到的工艺步骤较多并且有危险性较大的化学试剂存在,工艺难度极高,全球仅日本宇部一家能量产。

化学气相合成法

该法的反应原理为气相硅源,例如 SiCl4、SiH4、SiHCl3、SiBr4,等与NH3或N2和H2反应直接生成Si3N4粉体。不同反应体系合成Si3N4粉体的质量也不同。用于直接制备 Si3N4粉体难度较大,常需要高能等离子体辅助来合成粉体。由于等离子体火炬的温度高且温度梯度非常大,导致粉体主要为β相Si3N4粉体。此外,等离子体设备成本较高,产能较小,常见于实验室研究。

尽管硅粉氮化法有不少缺点,但是产业界还是广泛采用直接氮化法制备高α相的氮化硅粉体,硅粉氮化法的共性难点在于强化固相传质和精准控制热量工艺设计。

硅粉氮化法通常采用间歇式的方式生产,为了确保热量的传递通常为将Si粉紧密堆积或压制成较致密的柱体,因此直接氮化法制备的氮化硅粉体一般呈较坚硬的块状,若要得到粉末还需要破碎研磨等工序,这不仅增加了工艺步骤,而且破碎研磨过程中很容易带入金属等外来的杂质,降低了产物的纯度。但我们在Alzchem官网我们看到这样的的描述:Alzchem氮化硅粉通过直接的硅粉氮化而成,采用的连续生产过程和纯干式加工步骤,氮化硅粉末显示出非常稳定和均匀的高质量。据称,通过Alzchem连续工艺制备出来的氮化硅粉体为蓬松的球型多孔氮化硅(不是常见的块状),经适当的研磨分散可获得粒度细小,颗粒分布均匀的粉体(下附Alzchem阿兹肯氮化硅粉体技术参数),同时极低的O含量≤0.3%(总氧含量)。虽然在工艺上我们找到没有更多的仔细描述,但参考国内的文献,我们知道氮化硅的连续化生产的一个重要思路是结合流化床连续供料的方式来实现。

Alzchem阿兹肯氮化硅粉体技术参数

Alzchem阿兹肯氮化硅粉体技术参数

 

Alzchem阿兹肯授权经销商--肯朴新材料

黄经理(右)到访粉体圈

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Alzchem阿兹肯氮化硅相关产品及应用范围  

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氮化硅

除了氮化硅原粉,阿肯兹还提供更方便应用的氮化硅造粒粉及注塑料

肯朴(厦门)新材料除了代理Alzchem阿兹肯氮化硅粉,也是Baikowski高纯氧化铝粉,以及 碳化硅晶须、氧化铝连续纤维、氮化硼多壁纳米管的授权经销商。

 

粉体圈编辑:Alpha

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