氮化硅陶瓷粉體產業現狀與發展趨勢

摘 要：本文介紹了氮化硅陶瓷粉體當前工業生產和產業發展現狀，并展望了產業發展趨勢。

關鍵詞：氮化硅粉體；制備方法；產業發展現狀

1 引言

氮化硅陶瓷是高溫結構陶瓷中最有應用潛力的材料之一，是一種具有高強度、斷裂韌性、高硬度、耐磨性和良好的化學和熱穩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。多用來制造軸承、汽輪機葉片、機械密封環、永久性模具等機械構件以及半導體絕緣基片材料等，廣泛應用于機械工程、超細研磨、半導體、透波材料、航空航天、生物陶瓷等領域。

2氮化硅粉體發展現狀

高質量粉體是制備高性能氮化硅陶瓷的基礎、低成本的粉體制備技術是氮化硅陶瓷廣泛應用的關鍵。自20世紀30年代起，通過設計反應體系和采用強化傳熱或傳質等手段，氮化硅粉體質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、化學氣相沉積法等。目前市場上的商業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，工業生產中工藝較為成熟，能夠規模化生產，并且生產成本相對較低，被國內外大多數企業采用，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氮化硅粉。但該方法生產所得的氮化硅粉容易含有Fe、Ca、Al等雜質元素，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、節能、環保等優點。但是在制備粉體時，由于反應速度過快，反應過程難以控制。表1給出了國內外具有百噸級生產線的主要企業和各自粉體質量指標。表中給出的是各企業最優的粉體。現階段這些粉體主要用于光伏領域和部分先進結構陶瓷。

從表1中可以看出。盡管各企業制備的粉體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，制備的粉體產品粒度小，反應速度快，α-Si3N4含量高，適合大規模生產。然而，這種方法制備的氮化硅粉體中經常含有殘余的碳或者碳化硅，所以制備的粉體純度不高，影響了產品的質量和應用。碳熱氮化法已成功實現商業化生產，據企業官網、銷售等渠道了解，具有百噸級生產線的國內外企業主要有日本東芝、日本住友化學、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。

目前能規模化生產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，造成產品中有二氧化硅殘存。

2.4硅亞胺熱解法

液相反應法（又稱硅亞胺化學分解法）制備的氮化硅粉具有極高的α相含量，并且燒結活性優異。但該方法制備難度大，技術門檻高，對原料的純度要求高，其難點在于不易獲得穩定的固態亞氨基硅（Si（NH）2）。目前，這種方法已經成為商業化高純高質量氮化硅粉體生產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模化生產出性能優異、質量穩定的氮化硅粉體產品的廠商。圖1為該方法的生產工藝流程圖。

3氮化硅粉體產業發展現狀

氮化硅需求端近幾年發展快速，帶動氮化硅產業快速發展，市場規模持續增長。據華經視點行業研究網發布《2021-2026年中國氮化硅陶瓷行業發展現狀與投資前景研究報告》數據顯示，全球氮化硅陶瓷市場規模從2018年的0.9億美元增至2020年的1.03億美元，年復合增長率為7.2%左右，預計到2026年全球氮化硅陶瓷市場規模將增至1.56億美元。隨著太空研究計劃、IT和電信、汽車行業的快速增長，以及最近電動汽車的蓬勃發展，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全球氮化硅粉體產業發展現狀

氮化硅粉體是氮化硅陶瓷及相關制品的主要原料，根據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構陶瓷，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（噴涂在坩堝內壁）；電子級粉體主要用于制備陶瓷基板。

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

3.2中國氮化硅粉體產業發展現狀

根據中研普華研究報告《2022-2027年中國高純氮化硅行業發展預測與投資調研報告》統計分析顯示：由于疫情的影響，2020年高純氮化硅行業產量增速下滑較大，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量為874噸。見圖2。

據貝哲斯咨詢對氮化硅粉行業市場數據的統計顯示，2021年中國氮化硅粉市場容量達到1.7億元，預計2028年可以達到3.7億元，2022-2028期間年復合增長率（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 氮化硅粉體產業發展趨勢

隨著粉體制備技術的迭代和產業結構的升級、綜合性能優異的氮化硅陶瓷可在冶金、化學、機械、電子等領域獲得廣泛的應用，預計未來幾年內氮化硅陶瓷將會迎來高速發展時期。

氮化硅粉體作為多晶硅鑄錠用石英坩堝的脫模劑的應用，最早是日本UBE公司根據美國多晶硅鑄錠爐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有萎縮的可能。

近年來，中國的氮化硅粉體產業也得到快速發展，粉體性能有顯著提升，可以滿足許多氮化硅結構件和基板的要求。目前，國內高純氮化硅生產技術較成熟，技術創新方面很難有較大的提升，行業處于成熟期，市場需求較穩定。而以日本宇部（UBE）公司為代表的液相反應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構件所需的關鍵性粉體。

隨著高性能氮化硅陶瓷應用越來越廣泛，對氮化硅粉體質量的要求越來越高，如何突破氮化硅粉國產化制備技術，打破高端粉體受國外制約的現狀，仍然是未來粉體發展的主要方向。對整個氮化硅粉體制備行業來說，能規模化生產，產量大，成本低，質量穩定是大家關注的重點。

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及粉體質量研究進展[J].化工學報， 2022， 73（1）：73-84.