中國粉體網訊 最近，材料界的“全能冠軍”——氮化硅有點忙，新項目、新產品不斷涌現，行業熱度不減。
8月27日，內蒙古大地澤林硅科技有限公司年產2000噸氮化硅及其他硅材料生產加工項目備案通過。
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評批復。本項目采用四氯化硅氨解法生產工藝年產30噸高純氮化硅粉體。
“全能冠軍”源自氮化硅結構及性質
氮化硅是制備新型先進高溫結構陶瓷的重要原料，氮化硅陶瓷具備耐高溫、耐磨損、低密度、高強度、高硬度等優異性能，廣泛應用于機械工程、航空航天、國防軍工、半導體、生物醫藥等核心技術領域。因此，氮化硅也被稱為“材料世界的全能冠軍”。
中材高新氮化硅產品
1879年，法國化學家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的反復研究和精確計算后確定氮化硅的化學式為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，原子之間的高結合強度賦予了其良好的硬度和機械強度，其陶瓷產品耐磨損，抗彎抗壓能力強。但強共價作用使氮化硅難以發生形變，晶體滑移數很小，表現出容易斷裂、明顯脆性的特點。由于氮化硅四面體單元構成空間網狀結構，氮化硅的化學穩定性強，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種晶體結構形態的物相，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，均屬于六方晶系，特殊的穩定網絡結構賦予了其諸多優異性能。γ-Si3N4只能在高溫高壓的條件下合成，因此，有關氮化硅結構的研究主要集中在α-Si3N4和β-Si3N4。
氮化硅晶體結構：(a)α-Si3N4，(b)β-Si3N4 ，(c)γ-Si3N4
α-Si3N4屬于熱力學不穩定結構，一般作為β-Si3N4及Si3N4基復合材料的原始粉料，以提高材料的整體性能。
β-Si3N4是目前工程應用中使用的主流晶型。由于其優異的耐高溫性能、耐化學腐蝕性和自潤滑性，它在航空航天、國防軍工和機械工程領域得到了廣泛應用。此外，β-Si3N4也用于制造高性能陶瓷發動機部件、燃氣輪機的轉子和定子、機械密封環等。
氮化硅市場規模及競爭格局
高質量粉體是制備高性能氮化硅陶瓷的基礎。自1857年法國化學家Deville和德國化學家Wohler首次報道了氮化硅的合成方法以來，科學家們為制備高純、超細、粒度窄、性能好的粉料嘗試了多種方法，并在實際生產需求下進行改良與創新，發現了一些低成本、高效率、易規模化的方法。
常見的氮化硅制備方法分類及比較
QY Research調研顯示，2022年全球氮化硅市場規模大約為5.38億元（人民幣），預計2029年將達到7.04億元，2023-2029期間年復合增長率（CAGR）為4.92%。
全球氮化硅市場規模: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%，預計未來六年中國市場復合增長率為8.28%，并在2029年規模達到350.78百萬元，同期美國市場CAGR預計大約為2.50%。未來幾年，亞太地區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，也將扮演重要角色。此外，未來六年，預計德國將繼續維持其在歐洲的領先地位，2023-2029年CAGR將大約為1.03%。
從生產來看，目前中國是全球最大的氮化硅生產地區，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和埃克諾新材料等，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：高端應用中的“全能冠軍”
早在19世紀中期，氮化硅就已經被人工合成出來，但除了參與“空氣固氮”的嘗試外，一直沒有得到重視。二戰后，航空航天、國防軍工等領域對耐高溫、高強度、高硬度、抗腐蝕性材料的需求，推動了氮化硅的相關研究。
氮化硅陶瓷的應用領域
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，隨著單晶硅片技術的成熟和生產成本的不斷下降，多晶硅片現有產能繼續呈現退出和萎縮趨勢，光伏級氮化硅粉體市場需求縮小。與之相反，陶瓷制品充分發揮了材料本身良好的熱學、化學和機械性能，拓寬了氮化硅的商業應用領域，順應了新興技術與高端產業發展浪潮，其廣泛被應用在機械工程、半導體電子、生物醫學、冶金制造、透波、光學等領域，充分體現了“全能冠軍”的特征。
在機械領域，氮化硅陶瓷可用作高速車刀、軸承、發動機刮片、燃氣輪機的導向葉片和渦輪葉片等；較高的強度和韌性以及優異的化學穩定性和生物相容性使其非常適合作為生物陶瓷；優異的力學性能和熱穩定性，較低的介電常數，較好的抗燒蝕性能使其成為最有希望的天線罩材料.....
在半導體領域，氮化硅作為其他半導體零部件如：半導體泵輔用陶瓷球軸承、加熱器、晶圓轉移用精密陶瓷吸盤等也展現出很好的應用前景。由中材高新氮化物公司牽頭，聯合中國科學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、中國科學院金屬研究所等10家單位共同承擔，針對我國半導體行業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計、晶舟及吸盤部件結構設計、高精度制備、精密加工、表面改性等系統研究，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業化制備關鍵技術，實現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用示范，并且在此基礎上完成靜電吸盤部件的中試量產，助力我國半導體行業的自主可控發展。
目前，氮化硅作為軸承球材料和散熱基板材料最受矚目。
高導熱氮化硅陶瓷基板
為順應電子科技領域系統化、智能化、集成化發展，半導體器件中電子芯片輸入功率持續升高，電路集成程度、排線密度越來越大，致使器件工作產生的熱量增多，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。氮化硅理論熱導率高，還具有高絕緣耐壓值、強抗氧化性以及與封裝內芯片材料相匹配的熱膨脹系數，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等大功率半導體器件的封裝散熱。
氮化硅陶瓷基板，來源：JFC
根據Valuates Reports報告數據，全球氮化硅陶瓷基板市場預計將從2023年的4800萬美元增長到2029年的3.693億美元，預測期內復合年增長率(CAGR)為40.4%。
氮化硅陶瓷軸承
氮化硅或氮化硅基復合材料陶瓷軸承，是近年來國內外高新技術研究重點之一。1976年，無壓燒結和氣壓燒結的出現解決了原有生產工藝無法制備異形零部件以及氮化硅高溫燒結易分解等問題。后續的軸承疲勞測試結果顯示，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于碳化硅、氧化鋁等材料。因此，氮化硅軸承廣泛應用于增壓器轉子、機床用高速主軸軸承、航空航天精密主軸、航空航天及汽車發動機等。
從技術層面來看，目前應用最廣泛的氮化硅陶瓷球燒結工藝為熱等靜壓燒結（HIP）和氣壓燒結（GPS），兩種工藝下生產的陶瓷球針對不同的使用環境都有廣泛的應用。與進口陶瓷球相比，國產陶瓷球在疲勞壽命、振動值、噪聲值等方面有待改善，導致這些差距的主要原因是技術路線不同。國外陶瓷球采用熱等靜壓燒結技術制備，而國內陶瓷球采用氣壓燒結技術。
小結
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體ICT領域對高性能陶瓷部件的需求日益劇增，兼具優異力學和熱學性能的氮化硅必將興起新一輪陶瓷工業浪潮。
來源：
宋殊銳等：材料世界的“全能冠軍——氮化硅的結構、性質、制備及應用
李軍生：氮化硅陶瓷粉體產業現狀與發展趨勢
向茂喬等：氮化硅粉體制備技術及粉體質量研究進展
朱允瑞等：高導熱氮化硅陶瓷基板影響因素研究現狀
中國粉體網、中國建材雜志、QY Research
（中國粉體網編輯整理/空青）
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