氮化物粉體的分類
氮元素具有較高的電負性,能夠與許多電負性比其低的元素形成一系列氮化物,包括離子型氮化物、共價型氮化物和金屬型氮化物三種類型。
離子型氮化物:鹼金屬和鹼土金屬元素形成的氮化物屬於離子型氮化物,其晶體以離子鍵為主,氮元素以N3-形式存在,也稱為類鹽氮化物。離子型氮化物的化學性質較活潑,易水解生成相應的氫氧化物和氨。目前,離子型氮化物中僅Li3N得到應用,Li3N為深紅色固體,屬於六方晶系,密度為1.27g/cm3,熔點為813°C,其合成方便,離子導電率高,能與固態或液態鋰共存,是目前能提供的最好的固體鋰電解質之一。
共價型氮化物:ⅢA~ⅦA族元素形成的氮化物屬於共價型氮化物,其晶體以共價鍵為主,其中,氧和ⅦA族元素和氮元素形成的化合物準確地應稱為氧化氮和滷化氮。應用較廣的共價型氮化物主要為ⅢA和ⅣA族元素的氮化物(如BN、AlN、GaN、InN、C3N4和Si3N4等),其結構單元類似於金剛石的四面體,故也稱為類金剛石氮化物。它們的硬度大、熔點高、化學穩定性好,大部分為絕緣體或半導體,廣泛應用於切削工具、高溫陶瓷、微電子器件和發光材料等。
金屬型氮化物:過渡金屬元素形成的氮化物屬於金屬型氮化物,氮原子位於立方或六方緊密堆積的金屬晶格間隙中,也稱為間充型氮化物。此類氮化物的化學式不遵循嚴格的化學計量比,其組成可以在一定範圍內變化。大部分金屬型氮化物為NaCl型結構,化學式為MN型。一般具有類似金屬的性質,如有金屬光澤、導電性好、硬度大、熔點高、耐磨損和耐腐蝕等,在切削加工材料、電極材料和催化材料等方面具有良好的應用前景。
氮化物粉體的應用
切削加工材料:TiN具有高硬度(莫氏硬度:8~9),高熔點(2950°C)和較高的耐磨性,在工業上常用作切削工具塗層,能有效減小刀具的磨損,提高切削速率,但其硬度仍難以滿足高硬度製品的要求。
立方氮化硼(c-BN)的硬度僅次於金剛石,它作為C的等電子體不僅具有金剛石的許多優良特性,而且有更高的熱穩定性和化學惰性,是一種具有良好發展前景的刀具材料。
β-C3N4被認為是目前最硬的材料而引起人們廣泛的關注,但其合成和表徵是目前研究的難點。
高溫結構材料:氮化矽(Si3N4)陶瓷具有高強度、高硬度、低密度、耐腐蝕、抗熱震性好及優異的高溫力學性能,廣泛用於陶瓷基複合材料的增強相,被認為是最有發展前景的工程陶瓷之一。
六方氮化硼(h-BN)是共價鍵化合物,由於它具有較高的導熱性、良好的化學穩定性、優異的熱穩定性和較好的電絕緣性等突出的性質,被廣泛應用於耐火材料以及陶瓷基複合材料等領域。
發光材料:ⅢA~ⅤA族氮化物是近年來半導體發光器件研究領域中的熱點。氮化物具有物理化學穩定性高、帶隙連續可調、寬禁帶電子漂移飽和速度高、介電常數小及導熱性能好等優點,且Eu2+、Ce3+等離子易於摻入氮化物結構中形成較短的Eu-N/Ce-N共價鍵,降低激活劑離子的5d能級,使激發和發射波長紅移。因此,氮化物螢光粉與其它傳統螢光粉相比,在穩定性、顯色性、激發波長和量子效率等方面具有明顯優勢,對於製備高效率白光LED具有重要意義。
電極材料:Li3N離子導電率高,但其分解電壓太低(0.44V),不能直接用作電極。過渡金屬氮化物具有穩定性好、分解電壓高和導電性好等優點,作為鋰離子負極材料而受到人們相當的關注。目前,被報導的金屬氮化物負極材料有氮化鋰鈷、氮化鉻、氮化鋰錳、氮化釩等。
催化材料:自1985年Volpe等首次在程序升溫條件下使MoO3與NH3反應製備出大比表面積(220m2/g)的γ-Mo2N以來,過渡金屬氮化物作為新型催化材料引起了人們極大的研究興趣。由於它具有類貴金屬的催化性質,在加氫、氫解、費託(F-T)合成、NH3合成與分解、加氫脫硫(HDS)、加氫脫氮(HDN)和電催化析氫(HER)等反應中具有良好的催化活性。
超導材料:MN(M=Nb,Zr,Ti,V,Hf,Ta,Mo)為NaCl型面心立方結構,是一類傳統的超導體。它們的超導溫度分別為:NbN,17.3K;ZrN,9.0K;TiN,5.5K;VN,8.5K;HfN,8.83K;TaN和MoN,12K。此類超導體的硬度及穩定性都較高,有望成為一種性能優異的超導體材料。
吸波材料:鐵(鎳)氮化物具有高電阻率、高的抗氧化性、耐腐蝕性以及高鐵磁性,在吸波材料領域有著較好的應用前景。
吸附材料:多孔氮化硼由輕元素組成,具有較高的比表面積、較高的化學穩定性和熱穩定性,是一種理想的吸附材料。
資料來源:
田亮:熔鹽法製備氮化碳、氮化鋁、氮化硼及硼碳氮粉體
邵雷雷:化學氣相法製備氮化物材料
郝躍, 等. 氮化物半導體電子器件新進展
曹文煥:金屬氮化物製備、晶體結構與超導電性的研究