氮化矽

氮化矽
IUPAC名めい Silicon nitride
识别
CAS号ごう	12033-89-5  Y
PubChem	3084099
ChemSpider	2341213
SMILES	N13[Si]25N4[Si]16N2[Si]34N56
InChI	1S/N4Si3/c1-5-2-6(1)3(5)7(1,2)4(5)6
InChIKey	HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N
EINECS	234-796-8
MeSH	Silicon+nitride
性せい质
化学かがく式しき	Si3N4
外そと观	灰色はいいろ无味粉末ふんまつ
密度みつど	3.2 g/cm3, 固体こたい
熔点	1900 °C（2173 K）（分解ぶんかい）
折おり光度こうどn D	2.016
危险性せい
欧おう盟めい分ぶん类	未み列れつ出で
相あい关物质
其他阴离子こ	碳化硅 二に氧化硅
其他阳离子こ	氮化硼
若わか非ひ注ちゅう明あかり，所有しょゆう数すう据すえ均ひとし出自しゅつじ标准状じょう态（25 ℃，100 kPa）下した。

氮化硅是ぜ由ゆかり硅元素げんそ和わ氮元素げんそ构成的てき化合かごう物ぶつ。在ざい氮气气氛下か，将はた单质硅的粉末ふんまつ加か热到1300-1400°C之の间，硅粉末まつ样品的てき重量じゅうりょう随ずい着ぎ硅单质与氮气的てき反はん应递增ぞう。在ざい没ぼつ有ゆう铁催化か剂的情じょう况下，约7个小时后硅粉样品的てき重量じゅうりょう不ふ再さい增加ぞうか，此时反はん应完成かんせい生成せいせいSi₃N₄。除じょ了りょうSi₃N₄外そと，还有其他几种硅的氮化物ぶつ（根ね据すえ氮化程度ていど和わ硅的氧化态所确定的てき相しょう对应化学かがく式しき）也已被ひ文献ぶんけん所しょ报道。比ひ如气态的一いち氮化二に硅（Si₂N）、一いち氮化硅（SiN）和わ三さん氮化二に硅（Si₂N₃)。这些化合かごう物ぶつ的てき高温こうおん合成ごうせい方法ほうほう取と决于不同ふどう的てき反はん应条件じょうけん（比ひ如反应时间、温度おんど、起おこり始原しげん料りょう包括ほうかつ反はん应物和わ反はん应容器き的てき材料ざいりょう）以及纯化的てき方法ほうほう。

Si₃N₄是ぜ硅的氮化物ぶつ中ちゅう化学かがく性せい质最为稳定じょう的てき（仅能被ひ稀まれ的てきHF和かず热的H₃PO₄分解ぶんかい），也是所有しょゆう硅的氮化物ぶつ中ちゅう热力学がく最さい稳定的てき。所以ゆえん一般いっぱん提ひさげ及“氮化硅”时，其所指ゆび的てき就是Si₃N₄。它也是ぜ硅的氮化物ぶつ中ちゅう最さい重要じゅうよう的てき化合かごう物ぶつ商品しょうひん。

在ざい很宽的てき温度おんど范围内ない氮化硅都是ぜ一いち种具有ぐゆう一定いってい的てき热导率りつ、低ひく热膨胀系数すう、弹性模も量りょう较高的てき高だか强度きょうど硬かた陶とう瓷。不同ふどう于一般いっぱん的てき陶すえ瓷，它的断だん裂きれ韧性高だか。这些性せい质结合あい起おこり来らい使つかい它具有ぐゆう优秀的てき耐たい热冲击性能せいのう，能のう够在高温こうおん下か承うけたまわ受高结构载荷并具备优异的耐たい磨すり损性能せいのう。常用じょうよう于需要じゅよう高だか耐用たいよう性せい和わ高温こうおん环境下か的てき用途ようと，诸如气轮机つくえ、汽车引擎零れい件けん、轴承和金わきん属ぞく切きり割わり加工かこう零れい件けん。美国びくに国家こっか航空こうくう航こう天てん局きょく的てき航こう天てん飞机就是用よう氮化硅制造づくり的てき主しゅ引擎轴承。氮化硅薄膜うすまく是ぜ硅基半はん导体常用じょうよう的てき绝缘层，由ゆかり氮化硅制作せいさく的てき悬臂是ぜ原子力げんしりょく显微镜的てき传感部ぶ件けん。

历史

亨とおる利り·爱丁·圣克莱尔·德とく维尔和わ弗どる里さと德とく里さと希まれ·维勒在ざい1857年ねん首くび次じ报道了りょう氮化硅的合成ごうせい方法ほうほう。在ざい他た们报道どう的てき合成ごうせい方法ほうほう中ちゅう，为减少しょう氧气的てき渗入而把另一个盛有硅的坩埚埋于一个装满碳的坩埚中加热。他た们报道どう了りょう一种他们称之为硅的氮化物的产物，但ただし他た们未能のう弄ろう清しん它的化学かがく成分せいぶん。1879年ねんPaul Schuetzenberger通どおり过将硅与衬料（一种可作为坩埚衬里的糊状物，由木よしき炭すみ、煤すす块或焦こげ炭ずみ与あずか粘土ねんど混合こんごう得え到いた）混合こんごう后きさき在高ありだか炉ろ中ちゅう加か热得到いた的てき产物，并把它报道どう为成分ぶん是ぜSi₃N₄的てき化合かごう物ぶつ。1910年ねん路ろ德とく维希·魏ぎ斯和特とく奥おく多た尔·恩おん格かく尔哈特とく在ざい纯的氮气下か加か热硅单质得え到いた了りょうSi3N4。1925年ねんFriederich和わSittig利用りよう碳热还原法ほう在ざい氮气气氛下か将はた二氧化硅和碳加热至1250-1300°C合成ごうせい氮化硅

在ざい后きさき来らい的てき数すう十年中直到应用氮化硅的商业用途出现前，氮化硅未受到重じゅう视和研究けんきゅう。从1948年ねん至いたり1952年ねん期き间，艾もぐさ奇き逊开办在纽约州しゅう尼あま亚加拉ひしげ大だい瀑布ばくふ附近ふきん的てき金きん刚砂公司こうし为氮化か硅的制せい造づくり和わ使用しよう注ちゅう册さつ了りょう几项专利。1958年ねん联合碳化物ぶつ公司こうし生なま产的氮化硅被用よう于制造づくり热电偶管、火箭かせん喷嘴和わ熔化金属きんぞく所しょ使用しよう的てき坩埚。英国えいこく对氮化か硅的研究けんきゅう工作こうさく始はじめ于1953年ねん，目的もくてき是ぜ为了制せい造づくり燃もえ气涡轮机的てき高温こうおん零れい件けん。由よし此使得とく键合氮化硅和热压氮化硅得到いた发展。1971年ねん美国びくに国防こくぼう部ぶ下しも属ぞく的てき国防こくぼう高等こうとう研究けんきゅう计划署しょ与あずか福ぶく特とく和わ西屋にしや公司こうし签订一千七百万美元的合同研制两种陶瓷燃气轮机。

虽然氮化硅的特性とくせい早はや已やめ广为人知じんち，但ただし在ざい地球ちきゅう自然しぜん界かい中ちゅう存在そんざい的てき氮化硅（大小だいしょう约为2×5µm）还是在ざい二に十じゅう世せい纪90年代ねんだい才ざい在ざい陨石中ちゅう被ひ发现。为纪念ねん质谱研究けんきゅう的てき先さき驱阿おもね尔弗雷かみなり德とく·奥おく托たく·卡尔·尼あま尔将はた自然しぜん界かい中ちゅう发现的てき此类氮化硅矿石せき冠かんむり名めい为“nierite”。不ふ过有证据显示可能かのう在ざい更さら早はや之の前ぜん就在前ぜん苏联境内けいだい的てき阿おもね塞ふさが拜はい疆发现过这种存在そんざい于陨石せき中ちゅう的てき氮化硅矿石せき。。含有がんゆう氮化硅矿物的ぶってき陨石也曾在中ざいちゅう国こく贵州省しょう境内けいだい发现过。除じょ存在そんざい于地球ちきゅう上じょう的てき陨石中ちゅう以外いがい，氮化硅也分布ぶんぷ于外层空间的宇宙うちゅう尘埃中なか。

合成ごうせい方法ほうほう

可か在ざい1300-1400°C的てき条件下じょうけんか用よう单质硅和氮气直接ちょくせつ进行化合かごう反はん应得え到いた氮化硅：

3 Si(s) + 2 N
2(g) → Si
3N
4(s)

也可用よう二に亚胺合成ごうせい

SiCl
4(l) + 6 NH
3(g) → Si(NH)
2(s) + 4 NH
4Cl(s)    在ざい0 °C的てき条件下じょうけんか

3 Si(NH)
2(s) → Si
3N
4(s) + N
2(g) + 3 H
2(g)    在ざい1000 °C的てき条件下じょうけんか

或ある用よう碳热还原反はん应在ざい1400-1450°C的てき氮气气氛下か合成ごうせい：

3 SiO
2(s) + 6 C(s) + 2 N
2(g) → Si
3N
4(s) + 6 CO(g)

对单质硅的てき粉末ふんまつ进行渗氮处理的てき合成ごうせい方法ほうほう是ぜ在ざい二に十じゅう世せい纪50年代ねんだい随ずい着ぎ对氮化か硅的重じゅう新しん“发现”而开发出来でき的てき。也是第だい一种用于大量生产氮化硅粉末的方法。但ただし如果使用しよう的てき硅原料りょう纯度低てい会かい使し得とく生せい产出的てき氮化硅含有がんゆう杂质硅酸けいさん盐和铁。用よう二胺分解法合成的氮化硅是无定形态的，需要じゅよう进一いち步ほ在ざい1400-1500°C的てき氮气下か做退火ひ处理才能さいのう将之まさゆき转化为晶态粉末まつ，目前もくぜん二に胺分解法かいほう在ざい重要じゅうよう性せい方面ほうめん是ぜ仅次于渗氮法的てき商品しょうひん化生かせい产氮化か硅的方法ほうほう。碳热还原反はん应是ぜ制せい造づくり氮化硅的最さい简单途と径みち也是工こう业上制せい造づくり氮化硅粉末まつ最さい符合ふごう成本なりもと效こう益えき的てき手段しゅだん。

电子级的氮化硅薄膜うすまく是ぜ通どおり过化学かがく气相沉积或ある者もの等とう离子体たい增强ぞうきょう化学かがく气相沉积技わざ术制せい造づくり的てき:

3 SiH
4(g) + 4 NH
3(g) → Si
3N
4(s) + 12 H
2(g)

3 SiCl
4(g) + 4 NH
3(g) → Si
3N
4(s) + 12 HCl(g)

3 SiCl
2H
2(g) + 4 NH
3(g) → Si
3N
4(s) + 6 HCl(g) + 6 H
2(g)

如果要よう在ざい半はん导体基もと材ざい上じょう沉积氮化硅，有ゆう两种方法ほうほう可か供きょう使用しよう：

1. 利用りよう低てい压化学がく气相沉积技わざ术在相しょう对较高だか的てき温度おんど下か利用りよう垂直すいちょく或ある水平すいへい管かん式しき炉ろ进行。
2. 等とう离子体たい增强ぞうきょう化学かがく气相沉积技わざ术在温度おんど相しょう对较低ひく的てき真空しんくう条件下じょうけんか进行。

氮化硅的晶あきら胞参数すう与あずか单质硅不同ふどう。因よし此根据すえ沉积方法ほうほう的てき不同ふどう，生成せいせい的てき氮化硅薄膜うすまく会かい有ゆう产生张力或ある应力。特とく别是当とう使用しよう等とう离子体たい增强ぞうきょう化学かがく气相沉积技わざ术时，能のう通どおり过调节沉积参数すう来らい减少张力。

先さき利用りよう溶胶凝しこり胶法制せい备出二に氧化硅，然しか后きさき同どう时利用りよう碳热还原法ほう和かず氮化对其中ちゅう包含ほうがん特とく细碳粒子りゅうし的てき硅胶进行处理后きさき得え到いた氮化硅纳米まい线。硅胶中ちゅう的てき特とく细碳粒子りゅうし是ぜ由よし葡萄糖ぶどうとう在ざい1200-1350°C分解ぶんかい产生的てき。合成ごうせい过程中ちゅう涉わたる及的反はん应可能かのう是ぜ：

SiO
2(s) + C(s) → SiO(g) + CO(g)    

3 SiO(g) + 2 N
2(g) + 3 CO(g) → Si
3N
4(s) + 3 CO
2(g)    或ある

3 SiO(g) + 2 N
2(g) + 3 C(s) → Si
3N
4(s) + 3 CO(g)

加工かこう方法ほうほう

作さく为粒状じょう材料ざいりょう的てき氮化硅是很难加工かこう的てき——不能ふのう把わ它加热到它的熔点1850°C以上いじょう，因いん为超过这个温度おんど氮化硅发生せい分解ぶんかい成なり硅和氮气。因よし此用传统的てき热压烧结技わざ术是有ゆう问题的てき。把わ氮化硅粉末まつ粘ねば合ごう起おこり来らい可か通どおり过添加てんか一いち些其他物たぶつ质比如烧结助剂或粘ねば合ごう剂诱导氮化か硅在较低的てき温度おんど下か发生一定程度的液相烧结后粘合成块状材料。但ただし由ゆかり于需要よう添加てんか粘ねば合ごう剂或烧结助じょ剂，所以ゆえん这种方法ほうほう会かい在ざい制せい出で的てき块状材料ざいりょう中ちゅう引入杂质。使用しよう放ひ电等离子烧结是ぜ另一种可以制备更纯净大块材料的方法，对压实的粉末ふんまつ在ざい非常ひじょう短たん的てき时间内ない（几秒中ちゅう）进行电流脉冲，用よう这种方法ほうほう能のう在ざい1500-1700°C的てき温度おんど下か得え到いた紧实致密的てき氮化硅块状じょう物ぶつ。

晶あきら体からだ结构和わ特性とくせい

蓝色圆球是ぜ氮原子げんし，灰色はいいろ圆球是ぜ硅原子げんし

• 
  三さん方ぽう αあるふぁ-Si
  3N
  4.
• 
  六方ろっぽう βべーた-Si
  3N
  4
• 
  立方りっぽう γがんま-Si
  3N
  4

氮化硅（Si₃N₄）存在そんざい有ゆう3种结晶结构，分ふん别是αあるふぁ、βべーた和わγがんま三さん相そう。αあるふぁ和わβべーた两相是ぜSi₃N₄最さい常つね出で现的型式けいしき，且可以在常つね压下制せい备。γがんま相あい只ただ有ゆう在高ありだか压及高温こうおん下か，才能さいのう合成ごうせい得え到いた，它的硬度こうど可か达到35GPa，为包含ほうがん八はち面体めんてい形かたち六配位硅原子的尖とんが晶あきら石せき型かた结构。