本文关键词：#氮(dan)化(hua)物陶(tao)瓷#；#氮(dan)化(hua)硅陶(tao)瓷#；#氮(dan)化(hua)铝(lv)陶(tao)瓷#；#氮(dan)化(hua)硼(peng)陶(tao)瓷#；#碳氮(dan)化(hua)钛陶(tao)瓷#；#塞隆陶(tao)瓷#；#氮(dan)化(hua)物半导体材料#；

 

氮(dan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)晶体结构度(du)属(shu)(shu)于(yu)六方晶系(xi)和六方晶系(xi)，工(gong)业(ye)上所用的一般需人工(gong)合成。根据氮(dan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)物(wu)理性质(zhi)和化(hua)(hua)(hua)学(xue)键的特点(dian)，氮(dan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)可分为非金属(shu)(shu)氮(dan)化(hua)(hua)(hua)物(wu)「如Si₃N₄、BN」和金(jin)属氮(dan)化物(wu)「如(ru)AlN、TiN」；一部分氮化(hua)物(wu)，如Si₃N₄、BN、AlN等在高温下不出现熔融(rong)状态而直(zhi)接分解；氮(dan)化物一般都具有高的硬度「例如立方(fang)氮(dan)化硼(peng)莫氏硬度可达9.7，PS金刚石的是10」，可用作切削材料和(he)超硬涂层(ceng)，个别硬度很低，例如六方(fang)氮化硼莫氏硬度为2，是一种类(lei)似于(yu)二氧(yang)化钼的高温润(run)滑剂(ji)。与碳化(hua)物一样，氮(dan)(dan)(dan)化(hua)物通常是(shi)(shi)耐(nai)高温材料。氮(dan)(dan)(dan)化(hua)物通常带有很大带隙，因此氮(dan)(dan)(dan)化(hua)物通常是(shi)(shi)绝缘体或宽带隙半导体，例如(ru)氮(dan)(dan)(dan)化(hua)硼、氮(dan)(dan)(dan)化(hua)硅(gui)、氮(dan)(dan)(dan)化(hua)镓等。此外，氮(dan)(dan)(dan)化(hua)物还可以吸收氢(qing)气，如(ru)氮(dan)(dan)(dan)化(hua)锂可作(zuo)为(wei)储(chu)氢(qing)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(qi)优异的(de)(de)导热性能(neng)和良好的(de)(de)耐化学(xue)性能(neng)而闻名；六方氮化硼(BN)因其(qi)柔(rou)软性和润滑性能而闻名；氮化硅(Si₃N₄)则具有良好(hao)抗(kang)热震(zhen)性和极高的断裂(lie)韧(ren)性。氮化(hua)物陶瓷(ci)材料家族庞大，应(ying)用范围极广(guang)，下文将对氮化(hua)物陶瓷(ci)的部分家族成员及其应(ying)用进行(xing)概述。

 

氮化铝陶瓷

氮(dan)化铝(lv)陶瓷最大的(de)特点是其(qi)具有非常高的(de)导(dao)热性（理(li)论导(dao)热系数约为氧化铝(lv)的(de)10倍）、良好的金属化能力(li)、优异的电绝缘性能及接近于硅的热膨胀(zhang)系数。这使(shi)得氮(dan)化铝极为适用(yong)电力(li)和微电子应用(yong)。例(li)如(ru)，可作高功率(lv)LED和高功率电子理想的散(san)热或封装材料。

↑↑↑高导热(re)氮化铝氮化铝基板

 

AlN的(de)理论导热系(xi)数约为(wei)280Wm^-1K^-1。实(shi)际(ji)导热(re)系数取(qu)决于加工条件和原料纯度。晶(jing)格中(zhong)的(de)(de)氧杂质的(de)(de)存在是一个主要的(de)(de)危害，当氧取(qu)代晶(jing)格中(zhong)的(de)(de)氮(dan)时(shi)，它会产生(sheng)空(kong)位(wei)，从而(er)中(zhong)断声子的(de)(de)传播和散射声子，从而(er)降低热(re)导率。Si、Fe含量超过0.02%即可(ke)以降低其(qi)绝缘(yuan)性。氮化铝粉体(ti)的制备方法很多(duo)，详看相关阅读：不同(tong)的(de)铝源，共(gong)同(tong)的(de)目标---氮化铝的制备。

 

↑↑↑氧化铝(lv)，氮(dan)化铝(lv)，氧化铍(pi)及立方(fang)氮(dan)化硼(peng)（制(zhi)备超困难）的热导率(lv)

 

经典应用：

高导热(re)陶瓷；电子产品的电气绝(jue)缘(yuan)封装；金属(shu)和盐熔体的坩埚；聚(ju)合(he)物用(yong)导热(re)填料；大功率电路基(ji)片。

 

氮化硅陶瓷

氮化硅陶(tao)瓷是结构陶(tao)瓷家族中综合(he)性(xing)能(neng)最为优(you)(you)良的(de)(de)一类材料，其优(you)(you)异的(de)(de)性(xing)能(neng)对(dui)于现代技术常常遇(yu)到(dao)的(de)(de)高温、高速、强腐蚀介质的(de)(de)工(gong)作环境，具有特殊的(de)(de)使(shi)用价值，其比较突(tu)出的(de)(de)性(xing)能(neng)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(yi)上，能与合金(jin)钢相比(bi)，而且(qie)其强度可以(yi)一(yi)直为在(zai)1200℃的下保持不下降(jiang)。②热(re)稳定(ding)性好，热(re)膨胀(zhang)系数小，有良好的导热(re)性能(neng)，所以抗热(re)震性很好，从室(shi)温到1000℃的(de)热冲击不(bu)会开(kai)裂。③化学性能稳定，几(ji)乎(hu)可耐一切无(wu)机酸(suan)（HF除(chu)外）和(he)浓度(du)在30%以下的(de)烧碱溶(rong)(rong)液(ye)(ye)的(de)腐(fu)蚀，也可耐很多有机(ji)物物质(zhi)的(de)侵蚀，对多种有色金属溶(rong)(rong)液(ye)(ye)特(te)别是铝液(ye)(ye)不润湿，能(neng)经受(shou)强烈(lie)的(de)放(fang)射(she)辐射(she)。④密度低，比重小(仅为刚(gang)的(de)2/5)，电绝缘(yuan)性好。

 

经典应用：

干式自润滑(hua)切割(ge)工具，轴承(cheng)组件（如高精度轴承(cheng)球），大(da)功率电(dian)路散(san)热基板(ban)，汽车(che)发动机(ji)中的(de)(de)(de)重型(xing)部(bu)(bu)件，用于机(ji)械工程的(de)(de)(de)高性能(neng)(neng)部(bu)(bu)件，冶(ye)金(jin)（如热电(dian)偶保(bao)护管，坩(gan)埚等(deng)），化学工程（如热交换(huan)器），纺(fang)织机(ji)械中的(de)(de)(de)功能(neng)(neng)部(bu)(bu)件，硅锭生(sheng)产中的(de)(de)(de)脱模剂等(deng)。 

 

↑↑↑高精密氮化(hua)硅(gui)轴承球

 

氮化硼陶瓷

BN具有高导热(re)性(xing)和良好(hao)抗热(re)震性(xing)，其物理(li)与化(hua)学特(te)性与石墨相近，BN有立方体(ti)与(yu)六(liu)方体(ti)两种常见的晶型结(jie)构(gou)。立方氮化硼(cBN)，犹如钻石般的坚硬与(yu)耐磨，而(er)六方氮化硼hBN则有(you)如石墨般(ban)的柔软(ruan)细(xi)滑，是常见的白色粉状体，故有白石墨之称。与石墨不(bu)同的是(shi)(shi)，它(ta)是(shi)(shi)一(yi)种电绝缘(yuan)体，虽然不(bu)是(shi)(shi)像可加(jia)工陶(tao)瓷那样(yang)容易加(jia)工，但在这方面它(ta)优于其他传统(tong)陶(tao)瓷。

 

六方氮化硼经典应用：

六(liu)方氮化硼粉末(mo)有(you)如石(shi)墨与(yu)二硫化钼(MoS₂)近似(si)的特性这些(xie)特性包(bao)括，晶体结构 、低(di)剪应(ying)力、附着于固(gu)体润滑薄膜、低(di)磨耗与(yu)耐(nai)高温(wen)化学稳(wen)定度。在许(xu)多(duo)情况下(xia)，hBN有着(zhe)比(bi)传统润滑材料更(geng)佳(jia)的表现，尤(you)其在附着(zhe)力(li)与(yu)耐高温之(zhi)化学稳定度上更(geng)为突(tu)出(chu)。当前广泛(fan)六方氮化硼应用(yong)于高温(wen)应用(yong)的固体润滑剂(ji)，压(ya)(ya)铸和注塑脱模，立方氮化硼原料，聚(ju)合物用(yong)导热(re)填料，熔融金属用(yong)坩埚，热(re)压(ya)(ya)BN零(ling)件的原料，耐火材(cai)料。

 

除此(ci)之外，由于六(liu)方氮化(hua)硼(peng)绝(jue)对光滑，粉体之间摩擦系数非(fei)常(chang)低，其原子结构每(mei)一层(ceng)都含有硼(peng)和(he)氮，各层(ceng)之间没(mei)有硼(peng)-氮键合，因(yin)此(ci)平面在彼此(ci)之(zhi)间滑动，从而得到柔(rou)软(ruan)和润(run)滑的效果，用在化(hua)妆品中(zhong)可(ke)带来柔(rou)滑细腻的肤感体验，因(yin)而非(fei)常(chang)适(shi)用于(yu)装饰化(hua)妆品配方中(zhong)的添加(jia)剂(ji)(ji)（粉(fen)剂(ji)(ji)、睫毛膏、眼线笔等）等。

 

↑↑↑水(shui)分散氮化硼用于化(hua)妆品（来(lai)源(yuan)联锴粉体）

 

立方氮化硼经典应用：

立(li)方氮化硼(peng)的(de)性(xing)能(neng)主要包括高(gao)硬度和热稳(wen)定(ding)性(xing)，显(xian)微硬度仅次(ci)于人造(zao)金(jin)刚石(shi)(shi)。其热稳(wen)定(ding)性(xing)优于人造(zao)金(jin)刚石(shi)(shi)，在(zai)高(gao)温下仍能(neng)保持足(zu)够(gou)高(gao)的(de)力学(xue)性(xing)能(neng)和硬度，具有很好(hao)(hao)的(de)红硬性(xing)；结构稳(wen)定(ding)，具有高(gao)的(de)抗氧(yang)化能(neng)力，化学(xue)稳(wen)定(ding)性(xing)好(hao)(hao)，与金(jin)刚石(shi)(shi)相比尤其好(hao)(hao)，在(zai)高(gao)达(da)1100~1300℃的(de)温(wen)度(du)(du)下也不与铁族(zu)元(yuan)素起化学反应(ying)，因此(ci)特别适合(he)于(yu)加工黑色金属(shu)材(cai)料(liao)；导热(re)(re)系(xi)数(shu)比(bi)金刚石(shi)小(xiao)，但比(bi)硬质合(he)金高，具有(you)良好的(de)导热(re)(re)性；抗弯强度(du)(du)高；作为磨(mo)(mo)具材(cai)料(liao)，使用寿命长、耐磨(mo)(mo)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(ji)陶瓷(ci)是在TiC材(cai)料(liao)(liao)基础上(shang)发展起来(lai)的一(yi)种新型(xing)金属陶瓷，目前主(zhu)要用于刀(dao)具材(cai)料(liao)(liao)，Ti(C，N)基具(ju)有较(jiao)好的(de)耐磨性(xing)和(he)高温性(xing)能(neng)、理想的(de)抗月牙(ya)洼磨损能(neng)力，优良的(de)抗氧化能(neng)力和(he)化学(xue)稳(wen)定(ding)性(xing)，已成为(wei)WC-Co基硬质合金(jin)的主要代替品之一。

↑↑↑Ti(C，N)棒(bang)材及SEM照片(pian)（来源：吉林长玉特陶(tao)）

 

碳氮化钛组成及性能特性：TiC和(he)TiN是构(gou)成(cheng)Ti(C，N)的基础(chu)，它们均具有面心立方点阵的NaCl型(xing)结(jie)构。这种晶体结(jie)构使TiN和TiC形成连续固溶体。Ti(C，N)基金(jin)属陶瓷(ci)的主要(yao)成分是Ti(C，N)，通常以Co-Ni作为黏结(jie)剂(ji)，以其(qi)它碳化(hua)物为添加剂(ji)，如WC、Mo₂C、(Ta，Nb)C、Cr₃C₂、VC、AlN等。Ti(C，N)基金属陶瓷的物(wu)理性能和机械(xie)性能可以在一定范围内调整。由于加入(ru)了各种碳化物(wu)添加剂，并以Co-Ni为黏结(jie)剂(ji)，从而(er)大大的(de)改善(shan)了金(jin)属陶瓷的(de)综合性能。加(jia)入一定量高熔点的(de)TaC、NbC可改善合(he)金(jin)的抗塑性变形能(neng)力，VC可提高(gao)合金的(de)抗剪强(qiang)度，改善合金的(de)机械性能。MoC可提高Co-Ni黏结(jie)剂的强(qiang)度，并在碳(tan)化(hua)物、氮化(hua)物和黏结(jie)剂间(jian)起连接作用。

 

有多耐磨？在相同的切削条(tiao)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(shu)陶瓷。在高(gao)速下，Ti(C，N)基金(jin)属陶(tao)瓷比YT14、YT15合金的耐磨(mo)性高5倍~8倍(bei)，比(bi)YC10合(he)金(jin)高0.3倍~1.3倍，比涂层(ceng)金属陶瓷高0.5~3倍。

 

经典应用(yong)：Ti(C，N)基(ji)金属陶瓷具有高硬度，良好的耐磨性，良好的化学(xue)稳定性，可用于高速数(shu)控刀具材料(liao)，石化工业中各种密(mi)封环和(he)阀门(men)，黑色金属陶瓷(ci)等。

 

↑↑↑工业切(qie)削刀具级别(bie)的黑(hei)色金(jin)属陶瓷材(cai)料可用作腕表外壳材(cai)料，贼硬(ying)朗贼耐刮，好看(kan)又耐打

塞隆（Sialon）陶瓷

Sialon是硅，铝(lv)，氧和氮的(de)首字母缩写Si-al-o-n，是(shi)结合(he)“Al”和“O”的氮化硅(gui)基(ji)陶瓷，由Si₃N₄中Si、N原子被Al或(Al+M)(M=Li、Cu、Mg、Y、R等)及O原(yuan)子置换所形成(cheng)的(de)一大类固溶体的(de)总称(cheng)，因(yin)其晶体构型不(bu)同而具有不(bu)同的(de)结构和性(xing)质。

↑↑↑电镜下某牌号塞隆陶瓷的α-sialon及β-sialon

 

Sialon陶瓷的(de)主要类别有β’-Sialon、α’-Sialon、O’-Sialon三种(zhong)(zhong)，尤以(yi)前两种(zhong)(zhong)最为常见。α-Sialon相非常硬（以α-Si₃N₄为基的固溶(rong)体），而β-Sialon相（与β-Si₃N₄相(xiang)类似(si)的结构）表现出高水(shui)平的断(duan)裂韧(ren)性。α-Sialon，β-Sialon和晶界相的相分数可(ke)(ke)以在很(hen)宽(kuan)的范围内调节，这(zhei)使得(de)可(ke)(ke)以适应α/β-SiAlON的(de)(de)(de)材(cai)料特性以满足不同应用的(de)(de)(de)要求。在特殊条件下(xia)，甚至可(ke)以生产(chan)梯度材(cai)料，其表面(mian)上(shang)含(han)有比内部更高比例的(de)(de)(de)α-SSialon。α-Sialon部分的梯度(du)使得可转位刀片(pian)的表面硬(ying)度(du)高于芯部，内部的断裂韧性(xing)仍然很(hen)高，这大大提高了陶瓷切割(ge)刀具的耐磨性。通过掺入碳化(hua)硅等硬(ying)质材料(liao)，可以进一步提高α/β-Sialon的硬度和耐磨(mo)性。

 

经典应用：

Sialon除(chu)了继承了氮(dan)化硅的韧性外(wai)，还(hai)具(ju)有优异的耐热(re)性，在高温下(xia)有高的机械强(qiang)度(du)，耐热冲击性(xing)和耐磨性(xing)。Sialon在(zai)非常难切削的高(gao)温合金的高(gao)速加(jia)工中表现极为卓越。

 

Sialon陶(tao)瓷(ci)也广泛用(yong)于有色(se)金(jin)属熔融金(jin)属处理(li)，特别是铝及其合(he)金(jin)，包括铝压(ya)铸(zhu)金(jin)属进(jin)料管，燃烧器(qi)和(he)浸入(ru)式加热(re)管，有色(se)金(jin)属喷射器(qi)，热(re)电偶保护管，坩埚(guo)和(he)钢包。由于Sialon陶瓷具(ju)有优异的化学稳定(ding)性(xing)、耐(nai)腐蚀性以及耐磨性，其在化学(xue)和加工(gong)工(gong)业以及石油和天(tian)然气(qi)工业(ye)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

以III族氮(dan)化物为代表的第三代半导体材料，多为禁带宽度(du)显著(zhu)大于Si和GaAs的宽禁带半导(dao)体材(cai)料(InN除外)，是实现高(gao)效率(lv)、高(gao)性能(neng)光(guang)电子和微电子器(qi)件的(de)基础(chu)。因此，被公认(ren)是当前国(guo)(guo)际(ji)光(guang)电信息技术领域的(de)战略制高(gao)点(dian)，各(ge)国(guo)(guo)均投(tou)入大量人力物力进(jin)行相关(guan)研发。

 

III族氮化物半导体材料以InN，GaN，AlN这三者及其合金为主(zhu)，全部为直接带隙，构成高亮度发光材料。InGaN量(liang)子阱是可见光波段发光器件的核心，AlGaN量子阱是(shi)深紫(zi)外光电子器件的(de)关键材料，而(er)AlGaN/GaN异质(zhi)结构，则是电力电子器件和微波(bo)通讯器件的核(he)心(xin)材料。

 

经典应用：

半导(dao)体照明：高(gao)亮度紫(zi)外(wai)、蓝(lan)光(guang)、绿光(guang)和白光(guang)的光(guang)发射二极管（LED）

激光(guang)显示(shi)：蓝、绿激光(guang)器（LD）

生物与医疗：紫外（UV）LED与(yu)光传感器

高(gao)频大功(gong)(gong)率器件：高(gao)温大功(gong)(gong)率场效应晶(jing)体(ti)管（FET）

新能源(yuan)：全太阳光(guang)谱光(guang)伏(fu)电池

 

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备(bei)注：

GaN材料体系中的InGaN（铟镓氮）太阳(yang)能电池的光(guang)(guang)学带(dai)隙可连续调节，特(te)别适(shi)合于制作多结叠层太阳(yang)能光(guang)(guang)伏电池，实现全(quan)太阳(yang)可见光(guang)(guang)谱(pu)能量(liang)的吸(xi)收(shou)利用，提高光(guang)(guang)伏电池的转换(huan)效率。其理论(lun)转换(huan)效率可达70%，远远超过其他材(cai)料体系。同时，InGaN的抗辐射能(neng)力远强于目前(qian)常(chang)用的Si、GaAs等太(tai)(tai)阳能电池材料，更适(shi)合应用于存在强辐射(she)的(de)外太(tai)(tai)空(kong)环境中，如为(wei)外太(tai)(tai)空(kong)航天器提(ti)供动力的(de)太(tai)(tai)阳帆(fan)，因此InGaN太阳能电池(chi)在航空航天(tian)等(deng)领域也有广泛应(ying)用。

 

月牙洼磨损：刀(dao)具磨(mo)损(sun)(sun)的形态一般(ban)有：前(qian)(qian)刀(dao)面磨(mo)损(sun)(sun)和后刀(dao)面磨(mo)损(sun)(sun)。前(qian)(qian)刀(dao)面磨(mo)损(sun)(sun)：当切(qie)(qie)削塑(su)性材料(liao)时，切(qie)(qie)削厚度(du)和切(qie)(qie)削速度(du)都比较大(da)时，切(qie)(qie)屑在前(qian)(qian)刀(dao)面会(hui)磨(mo)损(sun)(sun)出洼凹，这个洼凹称(cheng)“月(yue)牙洼”。“月(yue)牙洼”产生的(de)地(di)(di)方是切(qie)削(xue)温度(du)最(zui)高的(de)地(di)(di)方。“月(yue)牙洼”磨(mo)(mo)(mo)损是刀(dao)具在(zai)(zai)切(qie)削(xue)过程(cheng)中常见(jian)的(de)一(yi)种(zhong)磨(mo)(mo)(mo)损形式。当切(qie)屑高速度(du)流过前(qian)刀(dao)面(mian)(mian)时，在(zai)(zai)切(qie)屑与前(qian)刀(dao)面(mian)(mian)紧密接触地(di)(di)方，在(zai)(zai)磨(mo)(mo)(mo)料(liao)磨(mo)(mo)(mo)损、粘(zhan)结磨(mo)(mo)(mo)损、扩散磨(mo)(mo)(mo)损、氧化（化学）磨(mo)(mo)(mo)损共(gong)同作用下，前(qian)刀(dao)面(mian)(mian)逐步形成凹(ao)坑。此凹(ao)坑在(zai)(zai)继续切(qie)削(xue)过程(cheng)中向切(qie)削(xue)刃方向扩展直到最(zui)后(hou)损坏(huai)切(qie)削(xue)刃。这种(zhong)磨(mo)(mo)(mo)损形式称为(wei)“月(yue)牙洼”磨(mo)(mo)(mo)损，“月(yue)牙洼”磨(mo)(mo)(mo)损说明(ming)刀(dao)具材料(liao)硬度(du)和耐磨(mo)(mo)(mo)性不足。

 

编辑(ji)：粉体(ti)圈小白