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氮化物粉体的3种类型及其8大应用领域

作者: admin 时间:2020-11-11 来源:未知
摘要:氮化物粉体的分类 氮元素具有较高的电负性,能够与许多电负性比其低的元素形成一系列氮化物,包括离子型氮化物、共价型氮化物和金属型氮化物三种类型。 离子型氮化物 碱金属和碱土金...

氮化物粉体的分类
 

氮元素具有较高的电负性,能够与许多电负性比其低的元素形成一系列氮化物,包括离子型氮化物、共价型氮化物和金属型氮化物三种类型。
 

离子型氮化物
 

碱金属和碱土金属元素形成的氮化物属于离子型氮化物,其晶体以离子键为主,氮元素以N3-形式存在,也称为类盐氮化物。离子型氮化物的化学性质较活泼,易水解生成相应的氢氧化物和氨。目前,离子型氮化物中仅Li3N得到应用,Li3N为深红色固体,属于六方晶系,密度为1.27g/cm3,熔点为813°C,其合成方便,离子导电率高,能与固态或液态锂共存,是目前能提供的最好的固体锂电解质之一。
 

共价型氮化物
 

ⅢA~ⅦA族元素形成的氮化物属于共价型氮化物,其晶体以共价键为主,其中,氧和ⅦA族元素和氮元素形成的化合物准确地应称为氧化氮和卤化氮。应用较广的共价型氮化物主要为ⅢA和ⅣA族元素的氮化物(如BN、AlN、GaN、InN、C3N4和Si3N4等),其结构单元类似于金刚石的四面体,故也称为类金刚石氮化物。它们的硬度大、熔点高、化学稳定性好,大部分为绝缘体或半导体,广泛应用于切削工具、高温陶瓷、微电子器件和发光材料等。


常见共价型氮化物的性质与结构

 

金属型氮化物
 

过渡金属元素形成的氮化物属于金属型氮化物,氮原子位于立方或六方紧密堆积的金属晶格间隙中,也称为间充型氮化物。此类氮化物的化学式不遵循严格的化学计量比,其组成可以在一定范围内变化。大部分金属型氮化物为NaCl型结构,化学式为MN型。一般具有类似金属的性质,如有金属光泽、导电性好、硬度大、熔点高、耐磨损和耐腐蚀等,在切削加工材料、电极材料和催化材料等方面具有良好的应用前景。


常见金属型氮化物的性质与结构

 

氮化物粉体的应用
 

切削加工材料
 

TiN具有高硬度(莫氏硬度:8~9),高熔点(2950°C)和较高的耐磨性,在工业上常用作切削工具涂层,能有效减小刀具的磨损,提高切削速率,但其硬度仍难以满足高硬度制品的要求。
 

立方氮化硼(c-BN)的硬度仅次于金刚石,它作为C的等电子体不仅具有金刚石的许多优良特性,而且有更高的热稳定性和化学惰性,是一种具有良好发展前景的刀具材料。
 

β-C3N4被认为是目前最硬的材料而引起人们广泛的关注,但其合成和表征是目前研究的难点。
 

高温结构材料
 

氮化硅(Si3N4)陶瓷具有高强度、高硬度、低密度、耐腐蚀、抗热震性好及优异的高温力学性能,广泛用于陶瓷基复合材料的增强相,被认为是最有发展前景的工程陶瓷之一。
 

六方氮化硼(h-BN)是共价键化合物,由于它具有较高的导热性、良好的化学稳定性、优异的热稳定性和较好的电绝缘性等突出的性质,被广泛应用于耐火材料以及陶瓷基复合材料等领域。
 

发光材料
 

ⅢA~ⅤA族氮化物是近年来半导体发光器件研究领域中的热点。氮化物具有物理化学稳定性高、带隙连续可调、宽禁带电子漂移饱和速度高、介电常数小及导热性能好等优点,且Eu2+、Ce3+等离子易于掺入氮化物结构中形成较短的Eu-N/Ce-N共价键,降低激活剂离子的5d能级,使激发和发射波长红移。因此,氮化物荧光粉与其它传统荧光粉相比,在稳定性、显色性、激发波长和量子效率等方面具有明显优势,对于制备高效率白光LED具有重要意义。
 

电极材料
 

Li3N离子导电率高,但其分解电压太低(0.44 V),不能直接用作电极。过渡金属氮化物具有稳定性好、分解电压高和导电性好等优点,作为锂离子负极材料而受到人们相当的关注。目前,被报道的金属氮化物负极材料有氮化锂钴、氮化铬、氮化锂锰、氮化钒等。
 

催化材料
 

自1985年Volpe等首次在程序升温条件下使MoO3与NH3反应制备出大比表面积(220m2/g)的γ-Mo2N以来,过渡金属氮化物作为新型催化材料引起了人们极大的研究兴趣。由于它具有类贵金属的催化性质,在加氢、氢解、费托(F-T)合成、NH3合成与分解、加氢脱硫(HDS)、加氢脱氮(HDN)和电催化析氢(HER)等反应中具有良好的催化活性。
 

超导材料
 

MN(M=Nb,Zr,Ti,V,Hf,Ta,Mo)为NaCl型面心立方结构,是一类传统的超导体。它们的超导温度分别为:NbN,17.3K;ZrN,9.0K;TiN,5.5K;VN,8.5K;HfN,8.83K;TaN和MoN,12K。此类超导体的硬度及稳定性都较高,有望成为一种性能优异的超导体材料。
 

吸波材料
 

铁(镍)氮化物具有高电阻率、高的抗氧化性、耐腐蚀性以及高铁磁性,在吸波材料领域有着较好的应用前景。
 

吸附材料
 

多孔氮化硼由轻元素组成,具有较高的比表面积、较高的化学稳定性和热稳定性,是一种理想的吸附材料。

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