近日，机电学院衣雪梅副教授课题组硕士生刘雄章采用盐辅助氮化法制备出α-Si3N4含量高达96wt%的高质量氮化硅粉体，为电动机车等产业制备兼有高热导率和优异机械性能散热基板提供了基础性新型功能陶瓷材料，是该技术领域的一项关键技术进展。研究成果以“Formation of Different Si3N4 Nanostructures by Salt-Assisted Nitridation（盐辅助氮化法制备Si3N4的纳米形貌形成机制）”为题，于2018年4月2日在美国化学会刊ACS Applied Materials&Interfaces（2017年IF="7.504）上发表，论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b16952。
氮化硅产物的生长机理和形貌
能源和环境问题已成为人类面临的两大全球性问题。电动机车具有效率高、噪音低、污染小、操作方便等优点得到了快速普及，但其IGBT功率模块的严酷使用环境对散热基板提出了兼有高热导率和优异机械性能的要求。氮化硅（Si3N4）是最有潜力的电子散热材料陶瓷，具有极佳的电绝缘性、导热性、与芯片匹配的热膨胀系数（CTE）和机械性能，但受传统制备工艺等的制约，难以达到所需的粉体纯度、形貌、粒度等关键技术指标，无法生产出高热导率的氮化硅陶瓷基板。因此，制备高质量的氮化硅粉体具有重要的理论价值和经济效益。
课题组以Si粉为原料，创新性采用盐辅助氮化法制备出富含纤维形貌且含量高达96wt%的高质量氮化硅粉体，并从科学理论视角揭示了Si粉氮化的具体过程和相应产物形貌的生长机制。结果表明：第一阶段（25~900°C）硅粉氮化会出现NH4Cl的分解而形成不定形态堆叠状的Si3N4，在第二阶段（900~1450°C）出现NaCl熔化现象并形成Si3N4，而在第三阶段（>1450°C）的α- Si3N4则会向β- Si3N4转变且因NaCl的蒸发而分为纳米纤维层和包括块状、短针状Si3N4层的上下两层。理论分析发现，NaCl和NH4Cl会促进Si粉的汽化，上层的纳米纤维层产物的生长机制包括VS、VLS等。
衣雪梅副教授课题组近年来一直致力于高性能氮（氧）化物陶瓷材料的开发和应用研究，取得了一系列成果。从资源循环再利用出发，以工业固体废弃物为原料制备高性能多孔陶瓷材料，用于建筑物的保温和高温烟气蓄热等国民生产领域。