摘 要：本文介紹了氮化硅陶瓷粉體當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，并展望了產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：氮化硅粉體；制備方法；產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1 引言

氮化硅陶瓷是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷中最有應(yīng)用潛力的材料之一，是一種具有高強度、斷裂韌性、高硬度、耐磨性和良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性的先進工程陶瓷。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，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。多用來制造軸承、汽輪機葉片、機械密封環(huán)、永久性模具等機械構(gòu)件以及半導(dǎo)體絕緣基片材料等，廣泛應(yīng)用于機械工程、超細研磨、半導(dǎo)體、透波材料、航空航天、生物陶瓷等領(lǐng)域。

2氮化硅粉體發(fā)展現(xiàn)狀

高質(zhì)量粉體是制備高性能氮化硅陶瓷的基礎(chǔ)、低成本的粉體制備技術(shù)是氮化硅陶瓷廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。自20世紀30年代起，通過設(shè)計反應(yīng)體系和采用強化傳熱或傳質(zhì)等手段，氮化硅粉體質(zhì)量得到了顯著的改善。主要的制備方法有硅粉直接氮化法、自蔓延法、碳熱還原法、熱分解法、溶膠-凝膠法、化學(xué)氣相沉積法等。目前市場上的商業(yè)氮化硅粉體的制備方法主要有：

2.1硅粉直接氮化法

硅粉直接氮化法是最早的制備氮化硅粉體所用的方法。目前，工業(yè)生產(chǎn)中工藝較為成熟，能夠規(guī)?；a(chǎn)，并且生產(chǎn)成本相對較低，被國內(nèi)外大多數(shù)企業(yè)采用，德國的ALZ、H. C. Starck、瑞典的VESTA、日本的Denka等國際著名粉體廠商均采用該方法批量化生產(chǎn)氮化硅粉。但該方法生產(chǎn)所得的氮化硅粉容易含有Fe、Ca、Al等雜質(zhì)元素，粉體中β相含量以及氧含量較高，不利于高性能氮化硅陶瓷的制備。

2.2自蔓延法

自蔓延法又稱自蔓延高溫合成法（SHS），是近年來新興的一種制備方法。自蔓延法制備粉體具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點。但是在制備粉體時，由于反應(yīng)速度過快，反應(yīng)過程難以控制。表1給出了國內(nèi)外具有百噸級生產(chǎn)線的主要企業(yè)和各自粉體質(zhì)量指標(biāo)。表中給出的是各企業(yè)最優(yōu)的粉體。現(xiàn)階段這些粉體主要用于光伏領(lǐng)域和部分先進結(jié)構(gòu)陶瓷。

從表1中可以看出。盡管各企業(yè)制備的粉體α相含量較高，但都小于95%，且仍然含有微量的游離Si，難以用于制備高熱導(dǎo)率和高強度陶瓷基板[2]。

2.3碳熱還原法

碳熱還原法所用的原料成本較低，制備的粉體產(chǎn)品粒度小，反應(yīng)速度快，α-Si3N4含量高，適合大規(guī)模生產(chǎn)。然而，這種方法制備的氮化硅粉體中經(jīng)常含有殘余的碳或者碳化硅，所以制備的粉體純度不高，影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和應(yīng)用。碳熱氮化法已成功實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，據(jù)企業(yè)官網(wǎng)、銷售等渠道了解，具有百噸級生產(chǎn)線的國內(nèi)外企業(yè)主要有日本東芝、日本住友化學(xué)、福建臻璟新材料科技有限公司和衡陽凱新特種材料科技有限公司。

目前能規(guī)?；a(chǎn)氮化硅粉體的主要方法是硅粉直接氮化法和二氧化硅碳熱還原法，但硅粉直接氮化法很難完全控制產(chǎn)物的晶相，一般會制備出α、β兩種晶相混雜的微粉;二氧化硅碳熱還原法因二氧化硅不能完全還原氮化，造成產(chǎn)品中有二氧化硅殘存。

2.4硅亞胺熱解法

液相反應(yīng)法（又稱硅亞胺化學(xué)分解法）制備的氮化硅粉具有極高的α相含量，并且燒結(jié)活性優(yōu)異。但該方法制備難度大，技術(shù)門檻高，對原料的純度要求高，其難點在于不易獲得穩(wěn)定的固態(tài)亞氨基硅（Si（NH）2）。目前，這種方法已經(jīng)成為商業(yè)化高純高質(zhì)量氮化硅粉體生產(chǎn)所使用的最主要的方法。日本UBE公司是最早，也是唯一使用該方法規(guī)?；a(chǎn)出性能優(yōu)異、質(zhì)量穩(wěn)定的氮化硅粉體產(chǎn)品的廠商。圖1為該方法的生產(chǎn)工藝流程圖。

3氮化硅粉體產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

氮化硅需求端近幾年發(fā)展快速，帶動氮化硅產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，市場規(guī)模持續(xù)增長。據(jù)華經(jīng)視點行業(yè)研究網(wǎng)發(fā)布《2021-2026年中國氮化硅陶瓷行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與投資前景研究報告》數(shù)據(jù)顯示，全球氮化硅陶瓷市場規(guī)模從2018年的0.9億美元增至2020年的1.03億美元，年復(fù)合增長率為7.2%左右，預(yù)計到2026年全球氮化硅陶瓷市場規(guī)模將增至1.56億美元。隨著太空研究計劃、IT和電信、汽車行業(yè)的快速增長，以及最近電動汽車的蓬勃發(fā)展，氮化硅市場將進一步增長。就消費而言，中國也將是增長最快的國家。

3.1全球氮化硅粉體產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

氮化硅粉體是氮化硅陶瓷及相關(guān)制品的主要原料，根據(jù)不同用途可把氮化硅粉體分為三大類：陶瓷級粉體，光伏級粉體，電子級粉體。陶瓷級粉體主要用于制備結(jié)構(gòu)陶瓷，例如防彈片、軋輥、軸承球、刀具、升液管等；光伏級粉體主要用作多晶硅鑄錠工藝中的脫模劑（噴涂在坩堝內(nèi)壁）；電子級粉體主要用于制備陶瓷基板。

全球范圍內(nèi)高品質(zhì)的氮化硅粉體生產(chǎn)企業(yè)主要為日本宇部興產(chǎn)，普通氮化硅粉體生產(chǎn)企業(yè)主要有日本的Denka、德國的Alz Chem和中國的江蘇金盛陶瓷等公司。據(jù)貝哲斯咨詢對氮化硅粉行業(yè)市場數(shù)據(jù)的統(tǒng)計顯示，2021年全球氮化硅粉市場容量分別為4.96億元（人民幣）。預(yù)計全球氮化硅粉市場規(guī)模在預(yù)測期將以2.4%的CAGR增長并預(yù)估在2027年達5.76億元。從產(chǎn)品類型方面來看，陶瓷級占有重要地位，預(yù)計2028年份額將達到91.11%。

3.2中國氮化硅粉體產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)中研普華研究報告《2022-2027年中國高純氮化硅行業(yè)發(fā)展預(yù)測與投資調(diào)研報告》統(tǒng)計分析顯示：由于疫情的影響，2020年高純氮化硅行業(yè)產(chǎn)量增速下滑較大，由2019年43.49%的增速下降為8.57%的增速。2020年高純氮化硅市場產(chǎn)量為874噸。見圖2。

據(jù)貝哲斯咨詢對氮化硅粉行業(yè)市場數(shù)據(jù)的統(tǒng)計顯示，2021年中國氮化硅粉市場容量達到1.7億元，預(yù)計2028年可以達到3.7億元，2022-2028期間年復(fù)合增長率（CAGR）為10.40%。中國市場核心廠商包括青島瓷興新材料有限公司、河北高富氮化硅材料、新疆晶碩新材料有限公司、AlzChem和埃克諾新材料等，按收入計，2021年中國市場前三大廠商占有大約61.98%的市場份額。

4 氮化硅粉體產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

隨著粉體制備技術(shù)的迭代和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級、綜合性能優(yōu)異的氮化硅陶瓷可在冶金、化學(xué)、機械、電子等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，預(yù)計未來幾年內(nèi)氮化硅陶瓷將會迎來高速發(fā)展時期。

氮化硅粉體作為多晶硅鑄錠用石英坩堝的脫模劑的應(yīng)用，最早是日本UBE公司根據(jù)美國多晶硅鑄錠爐GTSolar公司的需求而推向市場的。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有萎縮的可能。

近年來，中國的氮化硅粉體產(chǎn)業(yè)也得到快速發(fā)展，粉體性能有顯著提升，可以滿足許多氮化硅結(jié)構(gòu)件和基板的要求。目前，國內(nèi)高純氮化硅生產(chǎn)技術(shù)較成熟，技術(shù)創(chuàng)新方面很難有較大的提升，行業(yè)處于成熟期，市場需求較穩(wěn)定。而以日本宇部（UBE）公司為代表的液相反應(yīng)法制備的氮化硅粉體，依然是高強度高硬度精密陶瓷軸承球及高端結(jié)構(gòu)件所需的關(guān)鍵性粉體。

隨著高性能氮化硅陶瓷應(yīng)用越來越廣泛，對氮化硅粉體質(zhì)量的要求越來越高，如何突破氮化硅粉國產(chǎn)化制備技術(shù)，打破高端粉體受國外制約的現(xiàn)狀，仍然是未來粉體發(fā)展的主要方向。對整個氮化硅粉體制備行業(yè)來說，能規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)量大，成本低，質(zhì)量穩(wěn)定是大家關(guān)注的重點。

參考文獻

[1]劉萍等氮化硅粉體制備方法研究進展，耐火材料，2020，54（50）457-460.

[2]向茂喬等氮化硅粉體制備技術(shù)及粉體質(zhì)量研究進展[J].化工學(xué)報， 2022， 73（1）：73-84.