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氮化物陶瓷及其典型應用
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 本文關鍵詞:#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#;#氮化物半導體材料#;

 

氮化物晶體結構度屬于六方晶系和六方晶系,工業上所用的一般需人工合成。根據氮化物物理性質和化學鍵的特點,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、BNAlN等在高溫下不出現熔融狀態而直接分解;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9.7PS金剛石的是10」,可用作切削材料和超硬涂層,個別硬度很低,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寬帶隙半導體,例如氮化硼、氮化硅、氮化鎵等。此外,氮化物還可以吸收氫氣,如氮化鋰可作為儲氫材料。

 

不同的氮化物陶瓷擁有其自己獨特性質從而在不同領域受到重用,例如氮化鋁(AlN)以其優異的導熱性能和良好的耐化學性能而聞名;六方氮化硼(BN)因其柔軟性和潤滑性能而聞名氮化硅(Si3N4)則具有良好抗熱震性和斷裂韌性。氮化物陶瓷材料家族龐大,應用范圍極廣,下文將對氮化物陶瓷的部分家族成員及其應用進行概述。

 

氮化鋁陶瓷

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

氮化物陶瓷及其典型應用

↑↑↑高導熱氮化鋁氮化鋁基板

 

AlN的理論導熱系數約為280Wm-1K-1。實際導熱系數取決于加工條件和原料純度。晶格中的氧雜質的存在是一個主要的危害,當氧取代晶格中的氮時,它會產生空位,從而中斷聲子的傳播和散射聲子,從而降低熱導率。SiFe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,詳看相關閱讀:不同的鋁源,共同的目標---氮化鋁的制備

 氮化物陶瓷及其典型應用

↑↑↑氧化鋁,氮化鋁,氧化鈹及立方氮化硼(制備超困難)的熱導率

 

經典應用

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

 

氮化硅陶瓷

氮化硅陶瓷是結構陶瓷家族中綜合性能最為優良的一類材料,其優異的性能對于現代技術常常遇到的高溫、高速、強腐蝕介質的工作環境,具有特殊的使用價值,其比較突出的性能有:①機械強度高,硬度接近于剛玉,有自潤滑性,耐磨。室溫抗彎強度可以高達980MPa以上,能與合金鋼相比,而且其強度可以一直為在1200℃的下保持不下降。②熱穩定性好,熱膨脹系數小,有良好的導熱性能,所以抗熱震性很好,從室溫到1000℃的熱沖擊不會開裂。③化學性能穩定,幾乎可耐一切無機酸(HF除外)和濃度在30%以下的燒堿溶液的腐蝕,也可耐很多有機物物質的侵蝕,對多種有色金屬溶液特別是鋁液不潤濕,能經受強烈的放射輻射。④密度低,比重小(僅為剛的2/5),電絕緣性好。

 

經典應用:

 干式自潤滑切割工具,軸承組件(如高精度軸承球),大功率電路散熱基板,汽車發動機中的重型部件,用于機械工程的高性能部件,冶金(如熱電偶保護管,坩堝等),化學工程(如熱交換器),紡織機械中的功能部件,硅錠生產中的脫模劑等。

 

↑↑↑高精密氮化硅軸承球

 

氮化硼陶瓷

BN具有高導熱性和良好抗熱震性,其物理與化學特性與石墨相近,BN有立方體與六方體兩種常見的晶型結構立方氮化硼(cBN),猶如鉆石般的堅硬與耐磨而六方氮化硼hBN則有如石墨般的柔軟細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,但在這方面它優于其他傳統陶瓷。

 

六方氮化硼經典應用:

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構 、低剪應力、附著于固體潤滑薄膜、低磨耗與耐高溫化學穩定度。在許多情況下,hBN有著比傳統潤滑材料更佳的表現,尤其在附著力與耐高溫之化學穩定度上更為突出。當前廣泛六方氮化硼應用于高溫應用的固體潤滑劑,壓鑄和注塑脫模,立方氮化硼原料,聚合物用導熱填料,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光滑,粉體之間摩擦系數非常低,其原子結構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,從而得到柔軟和潤滑的效果,用在化妝品中可帶來柔滑細膩的膚感體驗,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(來源聯鍇粉體)

 

立方氮化硼經典應用:

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



碳氮化鈦基硬質合金(金屬陶瓷)


碳氮化鈦,分子式是:Ti(CN)Ti(CN)基陶瓷是在TiC材料基礎上發展起來的一種新型金屬陶瓷,目前主要用于刀具材料,Ti(CN)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,優良的抗氧化能力和化學穩定性,已成為WC-Co基硬質合金的主要代替品之一。

氮化物陶瓷及其典型應用

↑↑↑Ti(CN)棒材及SEM照片(來源:吉林長玉特陶)

 

碳氮化鈦組成及性能特性:TiCTiN是構成Ti(CN)的基礎,它們均具有面心立方點陣的NaCl型結構。這種晶體結構使TiNTiC形成連續固溶體。Ti(CN)基金屬陶瓷的主要成分是Ti(CN),通常以Co-Ni作為黏結劑,以其它碳化物為添加劑,如WCMo2C(TaNb)CCr3C2VCAlN等。Ti(CN)基金屬陶瓷的物理性能和機械性能可以在一定范圍內調整。由于加入了各種碳化物添加劑,并以Co-Ni為黏結劑,從而大大的改善了金屬陶瓷的綜合性能。加入一定量高熔點的TaCNbC可改善合金的抗塑性變形能力,VC可提高合金的抗剪強度,改善合金的機械性能。MoC可提高Co-Ni黏結劑的強度,并在碳化物、氮化物和黏結劑間起連接作用。

 

有多耐磨?在相同的切削條件下,Ti(CN)基金屬陶瓷刀具的耐磨性遠遠高于WC基及涂層金屬陶瓷。在高速下,Ti(CN)基金屬陶瓷比YT14YT15合金的耐磨性高5~8倍,比YC10合金高0.3~1.3倍,比涂層金屬陶瓷高0.5~3倍。

 

經典應用Ti(CN)基金屬陶瓷具有高硬度,良好的耐磨性,良好的化學穩定性,可用于高速數控刀具材料,石化工業中各種密封環和閥門,黑色金屬陶瓷等。

 

 ↑↑↑工業切削刀具級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是結合“Al”“O”的氮化硅基陶瓷Si3N4SiN原子被Al(Al+M)(M=LiCuMgYR)O原子置換所形成的一大類固溶體的總稱,因其晶體構型不同而具有不同的結構和性質。

氮化物陶瓷及其典型應用

↑↑↑電鏡下某牌號塞隆陶瓷的α-sialon及β-sialon

 

Sialon陶瓷的主要類別有β’-Sialonα’-SialonO’-Sialon三種,尤以前兩種最為常見。α-Sialon相非常硬α-Si3N4為基的固溶體,而β-Sialon相(與β-Si3N4相類似的結構)表現出高水平的斷裂韌性。α-Sialonβ-Sialon和晶界相的相分數可以在很寬的范圍內調節,這使得可以適應α/β-SiAlON的材料特性以滿足不同應用的要求。在特殊條件下,甚至可以生產梯度材料,其表面上含有比內部更高比例的α-SSialonα-Sialon部分的梯度使得可轉位刀片的表面硬度高于芯部,內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材料,可以進一步提高α/β-Sialon的硬度和耐磨性。

 

經典應用:

Sialon了繼承了氮化硅的韌性外,還具有優異的耐熱性,高溫下有高的機械強度,耐熱沖擊性和耐磨性。Sialon非常難切削的高溫合金的高速加工中表現極為卓越

 

Sialon陶瓷廣泛用于有色金屬熔融金屬處理,特別是鋁及其合金,包括鋁壓鑄金屬進料管,燃燒器和浸入式加熱管,有色金屬噴射器,熱電偶保護管,坩堝和鋼包。由于Sialon陶瓷具有優異的化學穩定性耐腐蝕性以及耐磨性化學和加工工業以及石油和天然氣工業也有所應用。

氮化物陶瓷及其典型應用

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

氮化物半導體材料

III族氮化物為代表的第三代半導體材料,多為禁帶寬度顯著大于SiGaAs的寬禁帶半導體材料(InN除外),是實現高效率、高性能光電子和微電子器件的基礎。因此,被公認是當前國際光電信息技術領域的戰略制高點,各國均投入大量人力物力進行相關研發。

 

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

氮化物陶瓷及其典型應用

 

經典應用:

半導體照明:高亮度紫外、藍光、綠光和白光的光發射二極管(LED

激光顯示:藍、綠激光器(LD

生物與醫療:紫外(UVLED與光傳感器

高頻大功率器件:高溫大功率場效應晶體管(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)太陽能電池的光學帶隙可連續調節,特別適合于制作多結疊層太陽能光伏電池,實現全太陽可見光譜能量的吸收利用,提高光伏電池的轉換效率。其理論轉換效率可達70%,遠遠超過其他材料體系。同時,InGaN的抗輻射能力遠強于目前常用的SiGaAs等太陽能電池材料,更適合應用于存在強輻射的外太空環境中,如為外太空航天器提供動力的太陽帆,因此InGaN太陽能電池在航空航天等領域也有廣泛應用。

 

月牙洼磨損:刀具磨損的形態一般有:前刀面磨損和后刀面磨損。前刀面磨損:當切削塑性材料時,切削厚度和切削速度都比較大時,切屑在前刀面會磨損出洼凹,這個洼凹稱“月牙洼”。“月牙洼”產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。當切屑高速度流過前刀面時,在切屑與前刀面緊密接觸地方,在磨料磨損、粘結磨損、擴散磨損、氧化(化學)磨損共同作用下,前刀面逐步形成凹坑。此凹坑在繼續切削過程中向切削刃方向擴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