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        【原創(chuàng)】氮化硅,有點忙!


        來源:中國粉體網(wǎng)   空青

        [導(dǎo)讀]  材料界的“全能冠軍”——氮化硅有點忙,新項目、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),行業(yè)熱度不減。

        中國粉體網(wǎng)訊  最近,材料界的“全能冠軍”——氮化硅有點忙,新項目、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),行業(yè)熱度不減。


        8月27日,內(nèi)蒙古大地澤林硅科技有限公司年產(chǎn)2000噸氮化硅及其他硅材料生產(chǎn)加工項目備案通過。

        8月20日,洛陽中硅高科技有限公司陶瓷基板用氮化硅粉體制備項目環(huán)評批復(fù)。本項目采用四氯化硅氨解法生產(chǎn)工藝年產(chǎn)30噸高純氮化硅粉體。


        “全能冠軍”源自氮化硅結(jié)構(gòu)及性質(zhì)


        氮化硅是制備新型先進高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的重要原料,氮化硅陶瓷具備耐高溫、耐磨損、低密度、高強度、高硬度等優(yōu)異性能,廣泛應(yīng)用于機械工程、航空航天、國防軍工、半導(dǎo)體、生物醫(yī)藥等核心技術(shù)領(lǐng)域。因此,氮化硅也被稱為“材料世界的全能冠軍”。


        中材高新氮化硅產(chǎn)品


        1879年,法國化學(xué)家Paul Schuetzenberger在研究中首次提出“四氮化三硅”這種叫法,并在德國的Weiss與Engelhardt的反復(fù)研究和精確計算后確定氮化硅的化學(xué)式為Si3N4。


        氮化硅是由Si-N四面體組成的一種無機非金屬強共價鍵化合物,原子之間的高結(jié)合強度賦予了其良好的硬度和機械強度,其陶瓷產(chǎn)品耐磨損,抗彎抗壓能力強。但強共價作用使氮化硅難以發(fā)生形變,晶體滑移數(shù)很小,表現(xiàn)出容易斷裂、明顯脆性的特點。由于氮化硅四面體單元構(gòu)成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),氮化硅的化學(xué)穩(wěn)定性強,能夠抵御除氫氟酸外其他無機酸或堿的侵蝕。


        氮化硅具有3種晶體結(jié)構(gòu)形態(tài)的物相,分別是α相、β相和γ相。其中α相和β相是Si3N4最常見的形態(tài),均屬于六方晶系,特殊的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予了其諸多優(yōu)異性能。γ-Si3N4只能在高溫高壓的條件下合成,因此,有關(guān)氮化硅結(jié)構(gòu)的研究主要集中在α-Si3N4和β-Si3N4。


        氮化硅晶體結(jié)構(gòu):(a)α-Si3N4,(b)β-Si3N4 ,(c)γ-Si3N4


        α-Si3N4屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),一般作為β-Si3N4及Si3N4基復(fù)合材料的原始粉料,以提高材料的整體性能。 

        β-Si3N4是目前工程應(yīng)用中使用的主流晶型。由于其優(yōu)異的耐高溫性能、耐化學(xué)腐蝕性和自潤滑性,它在航空航天、國防軍工和機械工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。此外,β-Si3N4也用于制造高性能陶瓷發(fā)動機部件、燃氣輪機的轉(zhuǎn)子和定子、機械密封環(huán)等。


        氮化硅市場規(guī)模及競爭格局


        高質(zhì)量粉體是制備高性能氮化硅陶瓷的基礎(chǔ)。自1857年法國化學(xué)家Deville和德國化學(xué)家Wohler首次報道了氮化硅的合成方法以來,科學(xué)家們?yōu)橹苽涓呒、超細、粒度窄、性能好的粉料嘗試了多種方法,并在實際生產(chǎn)需求下進行改良與創(chuàng)新,發(fā)現(xiàn)了一些低成本、高效率、易規(guī)模化的方法。


        常見的氮化硅制備方法分類及比較



        QY Research調(diào)研顯示,2022年全球氮化硅市場規(guī)模大約為5.38億元(人民幣),預(yù)計2029年將達到7.04億元,2023-2029期間年復(fù)合增長率(CAGR)為4.92%。


        全球氮化硅市場規(guī)模:2018 VS 2023 VS 2029(百萬元)

        來源:QY Research


        從競爭格局來看,2022年中國占全球市場份額為39.35%,美國為15.81%,預(yù)計未來六年中國市場復(fù)合增長率為8.28%,并在2029年規(guī)模達到350.78百萬元,同期美國市場CAGR預(yù)計大約為2.50%。未來幾年,亞太地區(qū)的重要市場地位將更加凸顯,除中國外,日本、韓國、印度和東南亞地區(qū),也將扮演重要角色。此外,未來六年,預(yù)計德國將繼續(xù)維持其在歐洲的領(lǐng)先地位,2023-2029年CAGR將大約為1.03%。


        從生產(chǎn)來看,目前中國是全球最大的氮化硅生產(chǎn)地區(qū),占有大約43.59%的市場份額,之后是日本,占有大約32.42%的市場份額。中國市場核心廠商包括青島瓷興新材料有限公司、新疆晶碩新材料有限公司、AlzChem和?酥Z新材料等,按收入計,2022年中國市場前三大廠商占有大約65.37%的市場份額。


        氮化硅:高端應(yīng)用中的“全能冠軍”


        早在19世紀中期,氮化硅就已經(jīng)被人工合成出來,但除了參與“空氣固氮”的嘗試外,一直沒有得到重視。二戰(zhàn)后,航空航天、國防軍工等領(lǐng)域?qū)δ透邷、高強度、高硬度、抗腐蝕性材料的需求,推動了氮化硅的相關(guān)研究。


        氮化硅陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域


        氮化硅粉體主要分為陶瓷級粉體、光伏級粉體、電子級粉體。近年來,隨著單晶硅片技術(shù)的成熟和生產(chǎn)成本的不斷下降,多晶硅片現(xiàn)有產(chǎn)能繼續(xù)呈現(xiàn)退出和萎縮趨勢,光伏級氮化硅粉體市場需求縮小。與之相反,陶瓷制品充分發(fā)揮了材料本身良好的熱學(xué)、化學(xué)和機械性能,拓寬了氮化硅的商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,順應(yīng)了新興技術(shù)與高端產(chǎn)業(yè)發(fā)展浪潮,其廣泛被應(yīng)用在機械工程、半導(dǎo)體電子、生物醫(yī)學(xué)、冶金制造、透波、光學(xué)等領(lǐng)域,充分體現(xiàn)了“全能冠軍”的特征。


        在機械領(lǐng)域,氮化硅陶瓷可用作高速車刀、軸承、發(fā)動機刮片、燃氣輪機的導(dǎo)向葉片和渦輪葉片等;較高的強度和韌性以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性使其非常適合作為生物陶瓷;優(yōu)異的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性,較低的介電常數(shù),較好的抗燒蝕性能使其成為最有希望的天線罩材料.....


        在半導(dǎo)體領(lǐng)域,氮化硅作為其他半導(dǎo)體零部件如:半導(dǎo)體輔用陶瓷球軸承、加熱器、晶圓轉(zhuǎn)移用精密陶瓷吸盤等也展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。由中材高新氮化物公司牽頭,聯(lián)合中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、寧夏北瓷新材料科技有限公司、天津大學(xué)、中國科學(xué)院金屬研究所等10家單位共同承擔(dān),針對我國半導(dǎo)體行業(yè)對晶舟和靜電吸盤部件的迫切需求,開展碳化硅、氮化鋁和氮化硅陶瓷的組分設(shè)計、晶舟及吸盤部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、高精度制備、精密加工、表面改性等系統(tǒng)研究,突破12英寸晶圓用碳化硅晶舟、氮化鋁和氮化硅靜電吸盤的產(chǎn)業(yè)化制備關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)大尺寸碳化硅晶舟和氮化鋁、氮化硅靜電吸盤樣件的研制和應(yīng)用示范,并且在此基礎(chǔ)上完成靜電吸盤部件的中試量產(chǎn),助力我國半導(dǎo)體行業(yè)的自主可控發(fā)展。


        目前,氮化硅作為軸承球材料和散熱基板材料最受矚目。


        高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板


        為順應(yīng)電子科技領(lǐng)域系統(tǒng)化、智能化、集成化發(fā)展,半導(dǎo)體器件中電子芯片輸入功率持續(xù)升高,電路集成程度、排線密度越來越大,致使器件工作產(chǎn)生的熱量增多,為電子封裝基板散熱帶來困難,成為抑制器件提升工作效率的主要原因。氮化硅理論熱導(dǎo)率高,還具有高絕緣耐壓值、強抗氧化性以及與封裝內(nèi)芯片材料相匹配的熱膨脹系數(shù),能夠滿足大功率散熱基板材料的制備要求,可用于高速電路IGBT、LG、CPV等大功率半導(dǎo)體器件的封裝散熱。


        氮化硅陶瓷基板,來源:JFC


        根據(jù)Valuates Reports報告數(shù)據(jù),全球氮化硅陶瓷基板市場預(yù)計將從2023年的4800萬美元增長到2029年的3.693億美元,預(yù)測期內(nèi)復(fù)合年增長率(CAGR)為40.4%。


        氮化硅陶瓷軸承

         

        氮化硅或氮化硅基復(fù)合材料陶瓷軸承,是近年來國內(nèi)外高新技術(shù)研究重點之一。1976年,無壓燒結(jié)和氣壓燒結(jié)的出現(xiàn)解決了原有生產(chǎn)工藝無法制備異形零部件以及氮化硅高溫?zé)Y(jié)易分解等問題。后續(xù)的軸承疲勞測試結(jié)果顯示,相同條件下氮化硅球軸承的使用壽命比全鋼軸承提高了3~5倍,滾動疲勞壽命也明顯優(yōu)于碳化硅、氧化鋁等材料。因此,氮化硅軸承廣泛應(yīng)用于增壓器轉(zhuǎn)子、機床用高速主軸軸承、航空航天精密主軸、航空航天及汽車發(fā)動機等。


        從技術(shù)層面來看,目前應(yīng)用最廣泛的氮化硅陶瓷球燒結(jié)工藝為熱等靜壓燒結(jié)(HIP)和氣壓燒結(jié)(GPS),兩種工藝下生產(chǎn)的陶瓷球針對不同的使用環(huán)境都有廣泛的應(yīng)用。與進口陶瓷球相比,國產(chǎn)陶瓷球在疲勞壽命、振動值、噪聲值等方面有待改善,導(dǎo)致這些差距的主要原因是技術(shù)路線不同。國外陶瓷球采用熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)制備,而國內(nèi)陶瓷球采用氣壓燒結(jié)技術(shù)。


        小結(jié)


        在世界追求碳達峰和碳中和的背景下,異軍突起的新能源造車勢力與高精尖半導(dǎo)體ICT領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芴沾刹考男枨笕找鎰≡觯婢邇?yōu)異力學(xué)和熱學(xué)性能的氮化硅必將興起新一輪陶瓷工業(yè)浪潮。


        來源:

        宋殊銳等:材料世界的“全能冠軍——氮化硅的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備及應(yīng)用

        李軍生:氮化硅陶瓷粉體產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

        向茂喬等:氮化硅粉體制備技術(shù)及粉體質(zhì)量研究進展

        朱允瑞等:高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板影響因素研究現(xiàn)狀

        中國粉體網(wǎng)、中國建材雜志、QY Research


        (中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青)

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        作者:空青

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