近年來(lái)，電子電力器件朝大功率、高頻化、高密度、集成化等方向發(fā)展，對(duì)器件中陶瓷散熱基板提出了更高要求。氮化硅陶瓷基板具有高的力學(xué)性能，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性是氮化鋁和氧化鋁的2~3倍，并且具有較高的熱導(dǎo)率以及極好的熱輻射性和耐熱循環(huán)性，是公認(rèn)的集高導(dǎo)熱率、高可靠性于一身的陶瓷基板材料，適用于機(jī)械振動(dòng)大、熱沖擊大、電流沖擊大以及要求具有高可靠性、高穩(wěn)定性的應(yīng)用場(chǎng)合，如航天航空、軌道交通、電動(dòng)汽車、光伏逆變、智能電網(wǎng)等。
氮化硅陶瓷粉體是影響物理、力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，粉體的純度、粒度、物相會(huì)對(duì)氮化硅的熱導(dǎo)率、力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。其特性對(duì)基板成型工藝、燒結(jié)工藝以及最終產(chǎn)品性能都有著重大的影響。
一、氮化硅粉體的特性要求
氮化硅（Si3N4）是一種氮原子和硅原子比例為4:3的共價(jià)鍵化合物，它是一種六方晶體結(jié)構(gòu)，有α、β和γ三種晶相。其中α和β兩相是Si3N4最常出現(xiàn)的型式，且可以在常壓下制備。
α-Si3N4是低溫穩(wěn)定相，β-Si3N4是高溫穩(wěn)定相。在氮化硅陶瓷的燒結(jié)過(guò)程中，α-Si3N4會(huì)發(fā)生晶粒的異常生長(zhǎng)，相變形成長(zhǎng)柱狀晶β-Si3N4，此結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋擴(kuò)展起到橋連、分叉、偏轉(zhuǎn)作用，能提高材料的韌性，使得陶瓷的強(qiáng)度大大提高。所以，高的α相含量是得到高性能氮化硅陶瓷的重要保證。
高質(zhì)量的氮化硅粉體是獲得高性能氮化硅陶瓷的初始條件，一般要求純度高、粒徑細(xì)且分布窄、α相含量高等。
二、氮化硅粉體的制備方法
目前氮化硅粉的制備方法主要有硅粉氮化法、二酰亞胺合成法、碳熱還原法、等離子法等方法，不同的粉體合成工藝，對(duì)粉體的特征有巨大的影響。
1、硅粉氮化法
硅粉氮化法是將亞微米級(jí)的硅粉在1200℃的高溫、氨氣或氮?dú)獾臍夥障?，硅與氨氣或氮?dú)庵苯臃磻?yīng)制備氮化硅粉的方法，反應(yīng)方程式如下：
優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單易行，設(shè)備操作用容易，無(wú)毒，產(chǎn)物重復(fù)性好，適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，也是現(xiàn)在商業(yè)化應(yīng)用最廣泛的方法之一。
缺點(diǎn)：反應(yīng)為放熱反應(yīng)，為生產(chǎn)高α相的氮化硅粉，通常將反應(yīng)體系的溫度控制在較低條件下進(jìn)行，使得反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率較低，能耗較大。且產(chǎn)物一般為不規(guī)則塊狀，需要破碎研磨等工序得到粉末，易引入雜質(zhì)。
2、二酰亞胺合成法
二酰亞胺合成法通過(guò)將氣態(tài)或者液態(tài)的SiCl4與NH3進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)Si(NH)2，并放出NH4Cl，經(jīng)過(guò)洗滌后進(jìn)行熱處理結(jié)晶化，在1300~1500℃結(jié)晶化處理，生成α-Si3N4，超過(guò)1500℃則為β-Si3N4，反應(yīng)方程式如下：
優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)物形狀呈規(guī)則球形，α-Si3N4含量高，有較好的燒結(jié)性能，市場(chǎng)上品質(zhì)較高的粉體便是日本宇部（UBE）公司采用此方法制備的。隨著SiCl4等原料簡(jiǎn)單易得，此方法成為第二大制備氮化硅的生產(chǎn)方法。
缺點(diǎn)：二酰亞胺合成法工藝步驟繁雜，且需要用到大量有毒化學(xué)試劑，制備條件苛刻，產(chǎn)物含有較多氯離子，且成本較高。
3、碳熱還原法
碳熱還原法是使用SiO2和碳在N2氣氛下共熱制備氮化硅的方法，它是氮化硅粉在工業(yè)化生產(chǎn)中最早使用的方法，被認(rèn)為是性價(jià)比最高的用于制備高α相氮化硅的生產(chǎn)路徑。反應(yīng)方程式如下：
缺點(diǎn)：生產(chǎn)過(guò)程中易同時(shí)生產(chǎn)SiC和Si2N2O，且產(chǎn)物中通常含有未反應(yīng)完全的SiO，制備的氮化硅粉體純度不是太高，難以滿足高品質(zhì)氮化硅陶瓷粉體的性能要求。
4、等離子法
等離子法是指在CO2激光和等離子體高能輻照下使用SiH4和NH2來(lái)制備氮化硅。反應(yīng)方程式如下：
優(yōu)點(diǎn)：使用氣相法來(lái)制備氮化硅時(shí)通常具有純度高和粒度小的特點(diǎn)，此方法成為生產(chǎn)高純納米氮化硅的重要方法。
缺點(diǎn)：成本高，產(chǎn)量小，生產(chǎn)效率不高，無(wú)法滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)需要。
氮化硅粉體相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)有：日本宇部、京瓷、Denka、瑞典H?gan?s、新特能源、中材高新、山東國(guó)瓷、衡陽(yáng)凱新、同立高科、北京矽瓷、河北高富、安陽(yáng)紅興、青島瓷興、柯佳源、臺(tái)灣超能、河南中納等。
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦陶瓷展）：一文了解氮化硅陶瓷粉體的制備方法
