本文關(guān)鍵詞：#氮化物陶瓷#；#氮化硅陶瓷#；#氮化鋁陶瓷#；#氮化硼陶瓷#；#碳氮化鈦陶瓷#；#塞隆陶瓷#；#氮化物半導(dǎo)體材料#；

 

氮化物晶體結(jié)構(gòu)度屬于六方晶系和六方晶系，工業(yè)上所用的一般需人工合成。根據(jù)氮化物物理性質(zhì)和化學(xué)鍵的特點(diǎn)，氮化物可分為非金屬氮化物「如Si₃N₄、BN」和金屬氮化物「如AlN、TiN」；一部分氮化物，如Si₃N₄、BN、AlN等在高溫下不出現(xiàn)熔融狀態(tài)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達(dá)9.7，PS金剛石的是10」，可用作切削材料和超硬涂層，個(gè)別硬度很低，例如六方氮化硼莫氏硬度為2，是一種類似于二氧化鉬的高溫潤(rùn)滑劑。與碳化物一樣，氮化物通常是耐高溫材料。氮化物通常帶有很大帶隙，因此氮化物通常是絕緣體或?qū)拵栋雽?dǎo)體，例如氮化硼、氮化硅、氮化鎵等。此外，氮化物還可以吸收氫氣，如氮化鋰可作為儲(chǔ)氫材料。

 

不同的氮化物陶瓷擁有其自己獨(dú)特性質(zhì)從而在不同領(lǐng)域受到重用，例如氮化鋁(AlN)以其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和良好的耐化學(xué)性能而聞名；六方氮化硼(BN)因其柔軟性和潤(rùn)滑性能而聞名；氮化硅(Si₃N₄)則具有良好抗熱震性和極高的斷裂韌性。氮化物陶瓷材料家族龐大，應(yīng)用范圍極廣，下文將對(duì)氮化物陶瓷的部分家族成員及其應(yīng)用進(jìn)行概述。

 

氮化鋁陶瓷

氮化鋁陶瓷最大的特點(diǎn)是其具有非常高的導(dǎo)熱性（理論導(dǎo)熱系數(shù)約為氧化鋁的10倍）、良好的金屬化能力、優(yōu)異的電絕緣性能及接近于硅的熱膨脹系數(shù)。這使得氮化鋁極為適用電力和微電子應(yīng)用。例如，可作高功率LED和高功率電子理想的散熱或封裝材料。

↑↑↑高導(dǎo)熱氮化鋁氮化鋁基板

 

AlN的理論導(dǎo)熱系數(shù)約為280Wm^-1K^-1。實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)取決于加工條件和原料純度。晶格中的氧雜質(zhì)的存在是一個(gè)主要的危害，當(dāng)氧取代晶格中的氮時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生空位，從而中斷聲子的傳播和散射聲子，從而降低熱導(dǎo)率。Si、Fe含量超過0.02%即可以降低其絕緣性。氮化鋁粉體的制備方法很多，詳看相關(guān)閱讀：不同的鋁源，共同的目標(biāo)---氮化鋁的制備。

 

↑↑↑氧化鋁，氮化鋁，氧化鈹及立方氮化硼（制備超困難）的熱導(dǎo)率

 

經(jīng)典應(yīng)用：

高導(dǎo)熱陶瓷；電子產(chǎn)品的電氣絕緣封裝；金屬和鹽熔體的坩堝；聚合物用導(dǎo)熱填料；大功率電路基片。

 

氮化硅陶瓷

氮化硅陶瓷是結(jié)構(gòu)陶瓷家族中綜合性能最為優(yōu)良的一類材料，其優(yōu)異的性能對(duì)于現(xiàn)代技術(shù)常常遇到的高溫、高速、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的工作環(huán)境，具有特殊的使用價(jià)值，其比較突出的性能有：①機(jī)械強(qiáng)度高，硬度接近于剛玉，有自潤(rùn)滑性，耐磨。室溫抗彎強(qiáng)度可以高達(dá)980MPa以上，能與合金鋼相比，而且其強(qiáng)度可以一直為在1200℃的下保持不下降。②熱穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)小，有良好的導(dǎo)熱性能，所以抗熱震性很好，從室溫到1000℃的熱沖擊不會(huì)開裂。③化學(xué)性能穩(wěn)定，幾乎可耐一切無機(jī)酸（HF除外）和濃度在30%以下的燒堿溶液的腐蝕，也可耐很多有機(jī)物物質(zhì)的侵蝕，對(duì)多種有色金屬溶液特別是鋁液不潤(rùn)濕，能經(jīng)受強(qiáng)烈的放射輻射。④密度低，比重小(僅為剛的2/5)，電絕緣性好。

 

經(jīng)典應(yīng)用：

干式自潤(rùn)滑切割工具，軸承組件（如高精度軸承球），大功率電路散熱基板，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的重型部件，用于機(jī)械工程的高性能部件，冶金（如熱電偶保護(hù)管，坩堝等），化學(xué)工程（如熱交換器），紡織機(jī)械中的功能部件，硅錠生產(chǎn)中的脫模劑等。

 

↑↑↑高精密氮化硅軸承球

 

氮化硼陶瓷

BN具有高導(dǎo)熱性和良好抗熱震性，其物理與化學(xué)特性與石墨相近，BN有立方體與六方體兩種常見的晶型結(jié)構(gòu)。立方氮化硼(cBN)，猶如鉆石般的堅(jiān)硬與耐磨，而六方氮化硼hBN則有如石墨般的柔軟細(xì)滑，是常見的白色粉狀體，故有白石墨之稱。與石墨不同的是，它是一種電絕緣體，雖然不是像可加工陶瓷那樣容易加工，但在這方面它優(yōu)于其他傳統(tǒng)陶瓷。

 

六方氮化硼經(jīng)典應(yīng)用：

六方氮化硼粉末有如石墨與二硫化鉬(MoS₂)近似的特性這些特性包括，晶體結(jié)構(gòu) 、低剪應(yīng)力、附著于固體潤(rùn)滑薄膜、低磨耗與耐高溫化學(xué)穩(wěn)定度。在許多情況下，hBN有著比傳統(tǒng)潤(rùn)滑材料更佳的表現(xiàn)，尤其在附著力與耐高溫之化學(xué)穩(wěn)定度上更為突出。當(dāng)前廣泛六方氮化硼應(yīng)用于高溫應(yīng)用的固體潤(rùn)滑劑，壓鑄和注塑脫模，立方氮化硼原料，聚合物用導(dǎo)熱填料，熔融金屬用坩堝，熱壓BN零件的原料，耐火材料。

 

除此之外，由于六方氮化硼絕對(duì)光滑，粉體之間摩擦系數(shù)非常低，其原子結(jié)構(gòu)每一層都含有硼和氮，各層之間沒有硼-氮鍵合，因此平面在彼此之間滑動(dòng)，從而得到柔軟和潤(rùn)滑的效果，用在化妝品中可帶來柔滑細(xì)膩的膚感體驗(yàn)，因而非常適用于裝飾化妝品配方中的添加劑（粉劑、睫毛膏、眼線筆等）等。

 

↑↑↑水分散氮化硼用于化妝品（來源聯(lián)鍇粉體）

 

立方氮化硼經(jīng)典應(yīng)用：

立方氮化硼的性能主要包括高硬度和熱穩(wěn)定性，顯微硬度僅次于人造金剛石。其熱穩(wěn)定性優(yōu)于人造金剛石，在高溫下仍能保持足夠高的力學(xué)性能和硬度，具有很好的紅硬性；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有高的抗氧化能力，化學(xué)穩(wěn)定性好，與金剛石相比尤其好，在高達(dá)1100~1300℃的溫度下也不與鐵族元素起化學(xué)反應(yīng)，因此特別適合于加工黑色金屬材料；導(dǎo)熱系數(shù)比金剛石小，但比硬質(zhì)合金高，具有良好的導(dǎo)熱性；抗彎強(qiáng)度高；作為磨具材料，使用壽命長(zhǎng)、耐磨性好。

碳氮化鈦基硬質(zhì)合金（金屬陶瓷）

碳氮化鈦，分子式是：Ti(C，N)，Ti(C，N)基陶瓷是在TiC材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型金屬陶瓷，目前主要用于刀具材料，Ti(C，N)基具有較好的耐磨性和高溫性能、理想的抗月牙洼磨損能力，優(yōu)良的抗氧化能力和化學(xué)穩(wěn)定性，已成為WC-Co基硬質(zhì)合金的主要代替品之一。

↑↑↑Ti(C，N)棒材及SEM照片（來源：吉林長(zhǎng)玉特陶）

 

碳氮化鈦組成及性能特性：TiC和TiN是構(gòu)成Ti(C，N)的基礎(chǔ)，它們均具有面心立方點(diǎn)陣的NaCl型結(jié)構(gòu)。這種晶體結(jié)構(gòu)使TiN和TiC形成連續(xù)固溶體。Ti(C，N)基金屬陶瓷的主要成分是Ti(C，N)，通常以Co-Ni作為黏結(jié)劑，以其它碳化物為添加劑，如WC、Mo₂C、(Ta，Nb)C、Cr₃C₂、VC、AlN等。Ti(C，N)基金屬陶瓷的物理性能和機(jī)械性能可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整。由于加入了各種碳化物添加劑，并以Co-Ni為黏結(jié)劑，從而大大的改善了金屬陶瓷的綜合性能。加入一定量高熔點(diǎn)的TaC、NbC可改善合金的抗塑性變形能力，VC可提高合金的抗剪強(qiáng)度，改善合金的機(jī)械性能。MoC可提高Co-Ni黏結(jié)劑的強(qiáng)度，并在碳化物、氮化物和黏結(jié)劑間起連接作用。

 

有多耐磨？在相同的切削條件下，Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于WC基及涂層金屬陶瓷。在高速下，Ti(C，N)基金屬陶瓷比YT14、YT15合金的耐磨性高5倍~8倍，比YC10合金高0.3倍~1.3倍，比涂層金屬陶瓷高0.5~3倍。

 

經(jīng)典應(yīng)用：Ti(C，N)基金屬陶瓷具有高硬度，良好的耐磨性，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可用于高速數(shù)控刀具材料，石化工業(yè)中各種密封環(huán)和閥門，黑色金屬陶瓷等。

 

↑↑↑工業(yè)切削刀具級(jí)別的黑色金屬陶瓷材料可用作腕表外殼材料，賊硬朗賊耐刮，好看又耐打

塞隆（Sialon）陶瓷

Sialon是硅，鋁，氧和氮的首字母縮寫Si-al-o-n，是結(jié)合“Al”和“O”的氮化硅基陶瓷，由Si₃N₄中Si、N原子被Al或(Al+M)(M=Li、Cu、Mg、Y、R等)及O原子置換所形成的一大類固溶體的總稱，因其晶體構(gòu)型不同而具有不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

↑↑↑電鏡下某牌號(hào)塞隆陶瓷的α-sialon及β-sialon

 

Sialon陶瓷的主要類別有β’-Sialon、α’-Sialon、O’-Sialon三種，尤以前兩種最為常見。α-Sialon相非常硬（以α-Si₃N₄為基的固溶體），而β-Sialon相（與β-Si₃N₄相類似的結(jié)構(gòu)）表現(xiàn)出高水平的斷裂韌性。α-Sialon，β-Sialon和晶界相的相分?jǐn)?shù)可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，這使得可以適應(yīng)α/β-SiAlON的材料特性以滿足不同應(yīng)用的要求。在特殊條件下，甚至可以生產(chǎn)梯度材料，其表面上含有比內(nèi)部更高比例的α-SSialon。α-Sialon部分的梯度使得可轉(zhuǎn)位刀片的表面硬度高于芯部，內(nèi)部的斷裂韌性仍然很高，這大大提高了陶瓷切割刀具的耐磨性。通過摻入碳化硅等硬質(zhì)材料，可以進(jìn)一步提高α/β-Sialon的硬度和耐磨性。

 

經(jīng)典應(yīng)用：

Sialon除了繼承了氮化硅的韌性外，還具有優(yōu)異的耐熱性，在高溫下有高的機(jī)械強(qiáng)度，耐熱沖擊性和耐磨性。Sialon在非常難切削的高溫合金的高速加工中表現(xiàn)極為卓越。

 

Sialon陶瓷也廣泛用于有色金屬熔融金屬處理，特別是鋁及其合金，包括鋁壓鑄金屬進(jìn)料管，燃燒器和浸入式加熱管，有色金屬噴射器，熱電偶保護(hù)管，坩堝和鋼包。由于Sialon陶瓷具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性以及耐磨性，其在化學(xué)和加工工業(yè)以及石油和天然氣工業(yè)也有所應(yīng)用。

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

氮化物半導(dǎo)體材料

以III族氮化物為代表的第三代半導(dǎo)體材料，多為禁帶寬度顯著大于Si和GaAs的寬禁帶半導(dǎo)體材料(InN除外)，是實(shí)現(xiàn)高效率、高性能光電子和微電子器件的基礎(chǔ)。因此，被公認(rèn)是當(dāng)前國際光電信息技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，各國均投入大量人力物力進(jìn)行相關(guān)研發(fā)。

 

III族氮化物半導(dǎo)體材料以InN，GaN，AlN這三者及其合金為主，全部為直接帶隙，構(gòu)成高亮度發(fā)光材料。InGaN量子阱是可見光波段發(fā)光器件的核心，AlGaN量子阱是深紫外光電子器件的關(guān)鍵材料，而AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，則是電力電子器件和微波通訊器件的核心材料。

 

經(jīng)典應(yīng)用：

半導(dǎo)體照明：高亮度紫外、藍(lán)光、綠光和白光的光發(fā)射二極管（LED）

激光顯示：藍(lán)、綠激光器（LD）

生物與醫(yī)療：紫外（UV）LED與光傳感器

高頻大功率器件：高溫大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）

新能源：全太陽光譜光伏電池

 

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備注：

GaN材料體系中的InGaN（銦鎵氮）太陽能電池的光學(xué)帶隙可連續(xù)調(diào)節(jié)，特別適合于制作多結(jié)疊層太陽能光伏電池，實(shí)現(xiàn)全太陽可見光譜能量的吸收利用，提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。其理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)70%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他材料體系。同時(shí)，InGaN的抗輻射能力遠(yuǎn)強(qiáng)于目前常用的Si、GaAs等太陽能電池材料，更適合應(yīng)用于存在強(qiáng)輻射的外太空環(huán)境中，如為外太空航天器提供動(dòng)力的太陽帆，因此InGaN太陽能電池在航空航天等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。

 

月牙洼磨損：刀具磨損的形態(tài)一般有：前刀面磨損和后刀面磨損。前刀面磨損：當(dāng)切削塑性材料時(shí)，切削厚度和切削速度都比較大時(shí)，切屑在前刀面會(huì)磨損出洼凹，這個(gè)洼凹稱“月牙洼”。“月牙洼”產(chǎn)生的地方是切削溫度最高的地方。“月牙洼”磨損是刀具在切削過程中常見的一種磨損形式。當(dāng)切屑高速度流過前刀面時(shí)，在切屑與前刀面緊密接觸地方，在磨料磨損、粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損、氧化（化學(xué)）磨損共同作用下，前刀面逐步形成凹坑。此凹坑在繼續(xù)切削過程中向切削刃方向擴(kuò)展直到最后損壞切削刃。這種磨損形式稱為“月牙洼”磨損，“月牙洼”磨損說明刀具材料硬度和耐磨性不足。

 

編輯：粉體圈小白