氮化硅陶瓷用途

氮化硅陶瓷，是一种烧结时不收缩的无机材料陶瓷。氮化硅的强度很高，尤其是热压氮化硅，是世界上最坚硬的物质之一。具有高强度、低密度、耐高温等性质。Si3N4 陶瓷是一种共价键化合物，基本结构单元为[ SiN4 ]四面体，硅原子位于四面体的中心，在其周围有四个氮原子，分别位于四面体的四个顶点，然后以每三个四面体共用一个原子的形式，在三维空间形成连续而又坚固的网络结构。

利用Si3N4 重量轻和刚度大的特点，可用来制造滚珠轴承、它比金属轴承具有更高的精度，产生热量少，而且能在较高的温度和腐蚀性介质中操作。用Si3N4 陶瓷制造的蒸汽喷嘴具有耐磨、耐热等特性，用于650℃锅炉几个月后无明显损坏，而其它耐热耐蚀合金钢喷嘴在同样条件下只能使用1 - 2个月。

随着Si3N4 粉末生产、成型、烧结及加工技术的改进，其性能和可靠性将不断提高，氮化硅陶瓷将获得更加广泛的应用。由于Si3N4 原料纯度的提高，Si3N4 粉末的成型技术和烧结技术的迅速发展，以及应用领域的不断扩大，Si3N4 正在作为工程结构陶瓷，在工业中占据越来越重要的地位。

有关资料显示，氮化硅Si 3 N 4陶瓷基片弹性模量为320GPa，抗弯强度为920MPa，热膨胀系数仅为3.2×10 -6 /°C，介电常数为9.4，具有硬度大、强度高热膨胀系数小、耐腐蚀性高等优势。由于Si 3 N 4 陶瓷晶体结构复杂，对声子散射较大，因此早期研究认为其热导率低，如Si 3 N 4 轴承球、结构件等产品热导率只有15W/(m·K)~30W/(m·K)。但是，通过研究发现，Si 3 N 4 材料热导率低的主要原因与晶格内缺陷、杂质等有关，并预测其理论值最高可达320W/(m·K)。之后，在提高Si3N4材料热导率方面出现了大量的研究，通过工艺优化，氮化硅陶瓷热导率不断提高，目前已突破177W/(m·K)。

此外，与其他陶瓷材料相比，Si 3 N 4 陶瓷材料具有明显优势，尤其是在高温条件下氮化硅陶瓷材料表现出的耐高温性能、对金属的化学惰性、超高的硬度和断裂韧性等力学性能。Si 3 N 4 陶瓷的抗弯强度、断裂韧性都可达到AlN的2倍以上， 特别是在材料可靠性上，Si 3 N 4 陶瓷基板具有其他材料无法比拟的优势。

而氮化铝AlN，是兼具良好的导热性和良好的电绝缘性能少数材料之一，氮化铝具备以下优点：

（1）氮化铝的导热率较高，室温时理论导热率最高可达320W/(m·K)，是氧化铝陶瓷的8～10倍，实际生产的热导率也可高达200W/(m·K)，有利于LED中热量散发，提高LED性能；

（2）氮化铝线膨胀系数较小，理论值为4.6×10 -6 /K，与LED常用材料Si、GaAs的热膨胀系数相近，变化规律也与Si的热膨胀系数的规律相似。另外，氮化铝与GaN晶格相匹配。热匹配与晶格匹配有利于在大功率LED制备过程中芯片与基板的良好结合，这是高性能大功率LED的保障。

（3）氮化铝陶瓷的能隙宽度为6.2eV，绝缘性好，应用于大功率LED时不需要绝缘处理，简化了工艺。

（4）氮化铝为纤锌矿结构，以很强的共价键结合，所以具有高硬度和高强度，机械性能较好。另外，氮化铝具有较好的化学稳定性和耐高温性能，在空气氛围中温度达1000℃下可以保持稳定性，在真空中温度高达1400℃时稳定性较好，有利于在高温中烧结，且耐腐蚀性能满足后续工艺要求。

1、氮化硅的物理性能：

①热学性质：属高温难熔物质，无熔点，常压下1900℃左右分解，抗高压蠕变能力强，不含粘结剂的反应烧结氮化硅负荷软化点可高达1800℃；

②导热性能好；

③热膨胀系数小；

④电绝缘性能好，介电系数小，抗击穿电压高。

2、氮化硅的化学性能：

①抗氧化性：800℃以下干燥气氛中不与氧反应；

②抗熔融金属腐蚀性：氮化硅对单质金属融液（除铜外）不浸润，不受腐蚀；

③抗酸碱盐腐蚀性：易溶于氢氟酸，与稀酸不起作用。

3、氮化硅的机械性能：

①高温强度好，1200℃高温强度与室温强度相比衰减不大，另外，它的高温蠕变率很低。这些都是由强共价键本质所决定的；

②硬度高，仅次于金刚石、立方BN、B4C等少数几种超硬材料；

③摩擦系数小，有自润滑性，与加油的金属表面相似。