本文关键词：#氮(dan)化(hua)物陶瓷(ci)#；#氮(dan)化(hua)硅陶瓷(ci)#；#氮(dan)化(hua)铝陶瓷(ci)#；#氮(dan)化(hua)硼陶瓷(ci)#；#碳氮(dan)化(hua)钛陶瓷(ci)#；#塞隆(long)陶瓷(ci)#；#氮(dan)化(hua)物半导体材料(liao)#；

 

氮(dan)化(hua)(hua)物晶(jing)体结(jie)构度(du)属(shu)于六(liu)方晶(jing)系和(he)六(liu)方晶(jing)系，工业上所用的一般需人工合成。根据氮(dan)化(hua)(hua)物物理性质和(he)化(hua)(hua)学键的特点，氮(dan)化(hua)(hua)物可分为非(fei)金(jin)属(shu)氮(dan)化(hua)(hua)物「如Si₃N₄、BN」和(he)金属氮(dan)化(hua)物(wu)「如AlN、TiN」；一部分氮(dan)化物，如(ru)Si₃N₄、BN、AlN等在高温下不出现熔(rong)融状态(tai)而直接分(fen)解；氮化物一般都具有高的硬(ying)度「例如(ru)立(li)方氮化硼莫氏(shi)硬(ying)度可(ke)达9.7，PS金刚石的(de)是(shi)10」，可(ke)用(yong)作切削材(cai)料和(he)超硬(ying)涂层，个别硬(ying)度很低(di)，例如(ru)六方氮化硼(peng)莫氏硬(ying)度为2，是一种类似于二氧化钼的高温润(run)滑(hua)剂。与碳化物(wu)一(yi)样，氮(dan)(dan)化物(wu)通常(chang)是耐高温材(cai)料。氮(dan)(dan)化物(wu)通常(chang)带有很大带隙，因此(ci)氮(dan)(dan)化物(wu)通常(chang)是绝缘(yuan)体或宽(kuan)带隙半导体，例如氮(dan)(dan)化硼、氮(dan)(dan)化硅(gui)、氮(dan)(dan)化镓等。此(ci)外，氮(dan)(dan)化物(wu)还可(ke)以吸收氢(qing)(qing)气，如氮(dan)(dan)化锂可(ke)作为(wei)储氢(qing)(qing)材(cai)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(yi)的导热性能和良好的耐化学性能而闻(wen)名；六方氮化硼(BN)因其柔软性和润滑(hua)性能而(er)闻名；氮化硅(Si₃N₄)则具有良好抗热震性和(he)极高的断裂(lie)韧性。氮化物陶瓷材料(liao)家(jia)族庞大，应(ying)用范围极广，下文(wen)将对氮化物陶瓷的部分家(jia)族成员及其(qi)应(ying)用进行概述。

 

氮化铝陶瓷

氮化(hua)铝(lv)陶瓷最(zui)大(da)的(de)特点(dian)是其(qi)具(ju)有(you)非(fei)常高的(de)导热(re)性（理论导热(re)系数约(yue)为氧化(hua)铝(lv)的(de)10倍）、良好的金属化能力、优(you)异的电绝缘性能及(ji)接近于硅的热膨胀系数。这使得氮化铝极为适用(yong)电力和微电子(zi)应用(yong)。例如，可作高功率LED和高功率电子理想的散热或封装(zhuang)材料。

↑↑↑高导(dao)热(re)氮(dan)化(hua)铝(lv)氮(dan)化(hua)铝(lv)基板

 

AlN的(de)理论导热系数约为280Wm^-1K^-1。实际导热系数取决于加工(gong)条件和(he)原料纯度。晶格(ge)中(zhong)的(de)(de)氧(yang)杂质的(de)(de)存在是一个主要(yao)的(de)(de)危害，当氧(yang)取代晶格(ge)中(zhong)的(de)(de)氮时(shi)，它会产生空(kong)位，从(cong)而中(zhong)断声子的(de)(de)传播和(he)散(san)射声子，从(cong)而降低热导率。Si、Fe含(han)量超过0.02%即可(ke)以降(jiang)低其(qi)绝缘性。氮化铝粉体的(de)制(zhi)备方法很多(duo)，详看相关(guan)阅读(du)：不同的铝源，共同的目标---氮(dan)化铝的(de)制备。

 

 ↑↑↑氧化(hua)铝，氮化(hua)铝，氧化(hua)铍及立(li)方氮化(hua)硼（制备(bei)超困难(nan)）的热导率

 

经典应用：

高导(dao)热陶瓷；电(dian)子产品的电(dian)气(qi)绝缘封(feng)装；金(jin)属和(he)盐熔体的坩埚(guo)；聚合物用导(dao)热填料；大(da)功率电(dian)路基片。

 

氮化硅陶瓷

氮化硅陶瓷是(shi)结(jie)构陶瓷家族中综合性能(neng)(neng)最为优良的(de)(de)一类材(cai)料，其(qi)优异的(de)(de)性能(neng)(neng)对于现代技术常常遇到的(de)(de)高温(wen)、高速、强腐(fu)蚀(shi)介质的(de)(de)工作环(huan)境，具有特殊的(de)(de)使(shi)用价值，其(qi)比较突出(chu)的(de)(de)性能(neng)(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，能与合金钢相(xiang)比，而且其强度可(ke)以(yi)一(yi)直为(wei)在1200℃的下(xia)保持不下(xia)降。②热稳(wen)定性好，热膨胀(zhang)系数小，有良好的导热性能，所以(yi)抗热震性很好，从室温到1000℃的热冲击不会开裂。③化学(xue)性能(neng)稳定，几乎可(ke)耐一切无(wu)机(ji)酸（HF除外）和(he)浓度在30%以下的烧碱溶液的腐蚀，也可耐(nai)很多有机物(wu)物(wu)质的侵蚀，对(dui)多种有色金属(shu)溶液特别是铝液不(bu)润湿(shi)，能经(jing)受强烈(lie)的放(fang)射辐射。④密度低，比重小(仅为刚的2/5)，电绝(jue)缘性好(hao)。

 

经典应用：

干(gan)式自润滑切(qie)割工(gong)具，轴承组件（如(ru)高(gao)精度轴承球(qiu)），大功率(lv)电路散(san)热(re)基板(ban)，汽车发动机中的重型部(bu)(bu)(bu)件，用于机械(xie)工(gong)程(cheng)的高(gao)性能(neng)部(bu)(bu)(bu)件，冶金（如(ru)热(re)电偶保护管，坩埚等），化学工(gong)程(cheng)（如(ru)热(re)交换器(qi)），纺(fang)织机械(xie)中的功能(neng)部(bu)(bu)(bu)件，硅(gui)锭(ding)生产(chan)中的脱模剂等。

 

↑↑↑高精密氮化硅(gui)轴承球(qiu)

 

氮化硼陶瓷

BN具(ju)有高导热性(xing)和良好抗热震性(xing)，其(qi)物理与(yu)化(hua)学特性与(yu)石(shi)墨相(xiang)近(jin)，BN有立(li)方(fang)体(ti)与(yu)六(liu)方(fang)体(ti)两(liang)种常(chang)见的晶型结构。立方(fang)氮化硼(cBN)，犹如钻石般的坚(jian)硬(ying)与(yu)耐磨，而六(liu)方氮化硼hBN则(ze)有(you)如(ru)石墨般的柔软细滑，是常见的白(bai)色粉状(zhuang)体，故有白(bai)石(shi)墨之称。与石墨(mo)不同(tong)的是，它是一(yi)种(zhong)电绝缘体，虽然(ran)不是像可加工(gong)陶(tao)瓷(ci)那样(yang)容易加工(gong)，但(dan)在这方(fang)面它优于(yu)其他传统陶(tao)瓷(ci)。

 

六方氮化硼经典应用：

六方(fang)氮(dan)化硼粉末有如石墨与二硫化钼(MoS₂)近似(si)的(de)特(te)(te)性(xing)这些特(te)(te)性(xing)包括，晶体结构 、低剪应力、附着于固体(ti)润滑薄膜、低磨(mo)耗与耐(nai)高温化学稳定度。在许多情况(kuang)下，hBN有着比传(chuan)统润滑(hua)材料(liao)更佳的表(biao)现，尤(you)其在(zai)附着力与(yu)耐高温之化学稳定度(du)上更为突出。当前广泛六(liu)方氮(dan)化硼应(ying)用于高(gao)温(wen)应(ying)用的固体润(run)滑剂，压铸和注塑脱模，立方氮(dan)化硼原料，聚合物用导热填料，熔(rong)融金属用坩埚，热压BN零件的原料，耐火材料。

 

除此之外(wai)，由于六方(fang)氮化硼(peng)绝对光滑，粉体之间摩擦系数非常低，其原子结构每(mei)一层(ceng)都(dou)含有硼(peng)和氮，各层(ceng)之间没有硼(peng)-氮(dan)键(jian)合，因此(ci)平面在彼此(ci)之间(jian)滑(hua)(hua)动，从而得到(dao)柔(rou)(rou)软和(he)润滑(hua)(hua)的效果，用在化妆品中可带来柔(rou)(rou)滑(hua)(hua)细腻(ni)的肤(fu)感体验，因而非(fei)常适(shi)用于(yu)装饰化妆品配方中的添(tian)加剂（粉剂、睫毛膏、眼线笔等(deng)）等(deng)。

 

↑↑↑水分散氮化硼用于(yu)化妆品（来源(yuan)联锴粉(fen)体）

 

立方氮化硼经典应用：

立方氮(dan)化硼的性(xing)能(neng)主(zhu)要包括高(gao)硬(ying)度(du)(du)和(he)热稳定(ding)(ding)性(xing)，显微硬(ying)度(du)(du)仅次于(yu)人造金刚石。其热稳定(ding)(ding)性(xing)优于(yu)人造金刚石，在高(gao)温下仍能(neng)保持足够高(gao)的力(li)学性(xing)能(neng)和(he)硬(ying)度(du)(du)，具有很(hen)好(hao)(hao)的红硬(ying)性(xing)；结构稳定(ding)(ding)，具有高(gao)的抗氧化能(neng)力(li)，化学稳定(ding)(ding)性(xing)好(hao)(hao)，与金刚石相(xiang)比尤其好(hao)(hao)，在高(gao)达1100~1300℃的(de)温度下也不(bu)与(yu)铁族元素起(qi)化学反应，因此特别适(shi)合(he)(he)于加工黑色金属材(cai)料；导热(re)系数比金刚石(shi)小(xiao)，但比硬质合(he)(he)金高，具(ju)有良好的(de)导热(re)性(xing)；抗(kang)弯(wan)强度高；作为磨(mo)具(ju)材(cai)料，使用寿命长、耐磨(mo)性(xing)好。

碳氮化钛基硬质合金（金属陶瓷）

碳氮(dan)化钛，分子式是：Ti(C，N)，Ti(C，N)基(ji)陶瓷(ci)是在(zai)TiC材料(liao)基础上发展(zhan)起(qi)来(lai)的(de)一种新(xin)型金属陶瓷，目前主(zhu)要(yao)用(yong)于刀具材料(liao)，Ti(C，N)基具(ju)有较好(hao)的(de)耐磨性和高温性能(neng)、理想(xiang)的(de)抗月牙洼磨损能(neng)力，优良的(de)抗氧化能(neng)力和化学稳定性，已成(cheng)为WC-Co基(ji)硬质合金的主要代替品(pin)之(zhi)一(yi)。

↑↑↑Ti(C，N)棒材及SEM照片（来源(yuan)：吉(ji)林(lin)长玉(yu)特(te)陶）

 

碳氮化钛组成及性能特性：TiC和TiN是构(gou)成Ti(C，N)的(de)(de)基础，它们均具(ju)有(you)面心立方点阵的(de)(de)NaCl型(xing)结构。这(zhei)种晶体结构使(shi)TiN和(he)TiC形(xing)成(cheng)连续固溶体。Ti(C，N)基(ji)金(jin)属陶瓷的主要成分是Ti(C，N)，通(tong)常(chang)以Co-Ni作为(wei)(wei)黏结(jie)剂，以其它(ta)碳化物为(wei)(wei)添加剂，如(ru)WC、Mo₂C、(Ta，Nb)C、Cr₃C₂、VC、AlN等(deng)。Ti(C，N)基金属陶瓷的物(wu)(wu)理性能和机(ji)械性能可以(yi)在一(yi)定范围(wei)内调整。由于(yu)加(jia)入(ru)了各种碳化物(wu)(wu)添(tian)加(jia)剂，并(bing)以(yi)Co-Ni为黏结剂，从而大大的改(gai)善了(le)金属陶瓷的综合性能(neng)。加入一定(ding)量高熔点的TaC、NbC可改善合金的抗塑(su)性变形(xing)能力，VC可提(ti)高合金的抗剪强度(du)，改善合金的机械(xie)性能(neng)。MoC可提高(gao)Co-Ni黏结剂的(de)强度，并在(zai)碳(tan)化物(wu)、氮(dan)化物(wu)和黏结剂间起连接作用。

 

有多耐磨？在相同的切削(xue)条(tiao)件(jian)下，Ti(C，N)基金(jin)属陶瓷刀具的(de)耐磨性远远高于WC基及涂层金(jin)属陶(tao)瓷。在高速下(xia)，Ti(C，N)基金属陶瓷比YT14、YT15合(he)金的(de)耐(nai)磨性高5倍~8倍(bei)，比YC10合金(jin)高0.3倍~1.3倍，比(bi)涂层金属陶瓷(ci)高0.5~3倍。

 

经典应用：Ti(C，N)基金(jin)属陶瓷具有(you)高硬度，良(liang)好(hao)的(de)耐磨(mo)性，良(liang)好(hao)的(de)化(hua)学(xue)稳定性，可用(yong)于(yu)高速数控刀具(ju)材料(liao)，石化工业中各(ge)种密(mi)封(feng)环和阀门，黑色金属陶瓷等。 

 

↑↑↑工业切(qie)削刀(dao)具(ju)级(ji)别的黑色(se)金属陶瓷材料可用作腕表外壳材料，贼(zei)硬朗贼(zei)耐(nai)刮(gua)，好看又耐(nai)打

塞隆（Sialon）陶瓷

Sialon是硅，铝，氧和氮(dan)的首字母缩(suo)写(xie)Si-al-o-n，是结(jie)合“Al”和(he)“O”的(de)氮化硅基陶瓷，由Si₃N₄中Si、N原子(zi)被Al或(huo)(Al+M)(M=Li、Cu、Mg、Y、R等(deng))及O原子置(zhi)换所形成的一(yi)大类固溶体(ti)的总称，因其晶(jing)体(ti)构(gou)(gou)型(xing)不(bu)同而具有不(bu)同的结构(gou)(gou)和(he)性(xing)质(zhi)。

↑↑↑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(you)β’-Sialon、α’-Sialon、O’-Sialon三种(zhong)，尤以前两种(zhong)最为常(chang)见。α-Sialon相(xiang)非常(chang)硬（以α-Si₃N₄为基(ji)的固溶体），而(er)β-Sialon相（与(yu)β-Si₃N₄相(xiang)类似的结构）表现出高水(shui)平的断(duan)裂韧性。α-Sialon，β-Sialon和晶界相(xiang)的相(xiang)分数可(ke)以在很(hen)宽的范围内调节，这(zhei)使得可(ke)以适应α/β-SiAlON的材(cai)料特性以满足不(bu)同应用的要求。在特殊(shu)条件下，甚(shen)至(zhi)可以生产梯度材(cai)料，其表面上含有比(bi)内部(bu)更高比(bi)例的α-SSialon。α-Sialon部分的(de)梯度(du)使(shi)得(de)可转位刀(dao)片(pian)的(de)表(biao)面硬度(du)高于(yu)芯部，内(nei)部的(de)断裂(lie)韧性(xing)仍(reng)然很高，这(zhei)大大提高了陶(tao)瓷(ci)切割刀具的耐磨性。通过掺入碳化(hua)硅等(deng)硬质材料，可(ke)以进一步提(ti)高α/β-Sialon的硬度(du)和耐磨性。

 

经典应用：

Sialon除了继承了氮化硅的韧(ren)性(xing)外，还具(ju)有优异的耐热性(xing)，在高温下有高的机械(xie)强度(du)，耐(nai)热冲击(ji)性(xing)(xing)和耐(nai)磨性(xing)(xing)。Sialon在非常难切削的高温合金的高速加(jia)工中(zhong)表现极为卓(zhuo)越(yue)。

 

Sialon陶瓷也广泛用于有色(se)金属(shu)熔(rong)融金属(shu)处理(li)，特别是铝及其合金，包括铝压(ya)铸(zhu)金属(shu)进料(liao)管，燃烧器和浸(jin)入式加热(re)管，有色(se)金属(shu)喷射器，热(re)电偶保护管，坩(gan)埚和钢包。由(you)于Sialon陶瓷具有优(you)异的化学稳定性(xing)、耐腐蚀(shi)性以及耐磨性，其在化学(xue)和(he)加(jia)工工业以及石油和天然气工业(ye)也有(you)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族氮化物为代表的(de)第三(san)代半(ban)导(dao)体(ti)材(cai)料(liao)，多为禁带宽度显著大(da)于Si和GaAs的宽禁(jin)带(dai)半导体材料(InN除外)，是(shi)实现高效(xiao)率、高性能光(guang)电子和微(wei)电子器件的基础。因(yin)此，被公认是(shi)当前国际光(guang)电信息技术领域的战(zhan)略制高点，各国均投(tou)入大量人力物力进行(xing)相关研发。

 

III族氮(dan)化物半导体材料以InN，GaN，AlN这(zhei)三者及其合(he)金为(wei)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(xin)，AlGaN量子(zi)阱是深紫外光电子(zi)器件的关键材料(liao)，而AlGaN/GaN异(yi)质结构，则是电(dian)力电(dian)子(zi)器(qi)件和微波(bo)通(tong)讯器(qi)件的核心材料。

 

经典应用：

半导(dao)体照(zhao)明(ming)：高亮度紫外、蓝光、绿光和白光的(de)光发(fa)射二极管（LED）

激(ji)(ji)光(guang)显示：蓝、绿激(ji)(ji)光(guang)器（LD）

生物与医疗：紫外（UV）LED与光传感器

高(gao)频大功(gong)(gong)率器件：高(gao)温大功(gong)(gong)率场效应(ying)晶体管(guan)（FET）

新能(neng)源：全太阳(yang)光谱光伏电池

 

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备注：

GaN材(cai)料(liao)体(ti)系中的InGaN（铟(yin)镓氮(dan)）太(tai)阳能(neng)电(dian)(dian)池的(de)(de)光(guang)学带隙可连续调节，特别适合(he)于制作(zuo)多结叠层太(tai)阳能(neng)光(guang)伏(fu)电(dian)(dian)池，实现全太(tai)阳可见光(guang)谱能(neng)量的(de)(de)吸收利用，提高(gao)光(guang)伏(fu)电(dian)(dian)池的(de)(de)转(zhuan)换效(xiao)率(lv)。其(qi)理论转(zhuan)换效(xiao)率(lv)可达70%，远(yuan)远(yuan)超过其(qi)他材料体系。同时(shi)，InGaN的抗辐射能力远强于(yu)目前常(chang)用的Si、GaAs等(deng)太(tai)(tai)阳(yang)能电池材料，更适合应用于存在强辐射的外(wai)太(tai)(tai)空环境中，如为外(wai)太(tai)(tai)空航(hang)天器提供(gong)动力的太(tai)(tai)阳(yang)帆，因此InGaN太阳能电池在航空航天等(deng)领域也有广(guang)泛应(ying)用。

 

月牙洼磨(mo)损：刀(dao)具磨(mo)(mo)损(sun)的(de)形态一般有(you)：前(qian)刀(dao)面(mian)磨(mo)(mo)损(sun)和(he)后刀(dao)面(mian)磨(mo)(mo)损(sun)。前(qian)刀(dao)面(mian)磨(mo)(mo)损(sun)：当切(qie)(qie)(qie)削塑性材料时(shi)，切(qie)(qie)(qie)削厚度和(he)切(qie)(qie)(qie)削速度都比较(jiao)大时(shi)，切(qie)(qie)(qie)屑(xie)在前(qian)刀(dao)面(mian)会磨(mo)(mo)损(sun)出洼(wa)凹(ao)，这个洼(wa)凹(ao)称“月(yue)牙(ya)(ya)(ya)洼(wa)”。“月(yue)牙(ya)(ya)(ya)洼(wa)”产生的(de)地方(fang)是(shi)切(qie)(qie)(qie)削(xue)温度(du)最高的(de)地方(fang)。“月(yue)牙(ya)(ya)(ya)洼(wa)”磨(mo)损(sun)(sun)是(shi)刀(dao)具在(zai)切(qie)(qie)(qie)削(xue)过(guo)程中常见的(de)一(yi)种磨(mo)损(sun)(sun)形式(shi)。当切(qie)(qie)(qie)屑(xie)高速(su)度(du)流过(guo)前(qian)刀(dao)面(mian)时，在(zai)切(qie)(qie)(qie)屑(xie)与前(qian)刀(dao)面(mian)紧密接触地方(fang)，在(zai)磨(mo)料磨(mo)损(sun)(sun)、粘结(jie)磨(mo)损(sun)(sun)、扩散磨(mo)损(sun)(sun)、氧(yang)化(hua)（化(hua)学）磨(mo)损(sun)(sun)共同作用下，前(qian)刀(dao)面(mian)逐步(bu)形成凹坑(keng)。此凹坑(keng)在(zai)继续切(qie)(qie)(qie)削(xue)过(guo)程中向(xiang)(xiang)切(qie)(qie)(qie)削(xue)刃方(fang)向(xiang)(xiang)扩展(zhan)直(zhi)到最后损(sun)(sun)坏切(qie)(qie)(qie)削(xue)刃。这种磨(mo)损(sun)(sun)形式(shi)称为“月(yue)牙(ya)(ya)(ya)洼(wa)”磨(mo)损(sun)(sun)，“月(yue)牙(ya)(ya)(ya)洼(wa)”磨(mo)损(sun)(sun)说(shuo)明刀(dao)具材料硬度(du)和耐磨(mo)性不足。

 

编辑：粉体圈(quan)小白(bai)