Описание девяти основных характеристик материалов из нитрида кремния.

Девять основных особенностей материалов из нитрида кремния

1. Состав и структура

Молекулярная формула нитрида кремния: Si. ₃ Н ₄ , который представляет собой соединение с ковалентной связью. Керамики из нитрида кремния являются поликристаллическими материалами, а их кристаллическая структура относится к гексагональной системе. Обычно делятся на две кристаллические ориентации: α и β, обе из которых состоят из [SiН ₄ ] ⁴ -тетраэдр. β-Si ₃ Н ₄ имеет высокую симметрию и небольшой молярный объем. Это термодинамически стабильная фаза при относительной температуре, а α-Si ₃ Н ₄ относительно легко формировать динамически. При высоких температурах (1400℃～1800℃) альфа-фаза претерпевает фазовый переход и переходит в β-тип. Это фазовое изменение необратимо, поэтому α-фаза способствует спеканию.

2. Внешний вид

Нитрид кремния, полученный из разных кристаллических фаз, имеет разный внешний вид. α-Si ₃ Н ₄ представляет собой белую или серовато-белую рыхлую шерсть или игольчатую форму, а β-"Si ₃ Н ₄ имеет более темный цвет и выглядит как плотный зернистый многогранник или короткая призма. Усы керамики из нитрида кремния прозрачны или полупрозрачны, а внешний вид от серого, сине-серого до серо-черного, который варьируется в зависимости от плотности и относительного соотношения, а также имеет другие цвета из-за добавок. Поверхность керамики из нитрида кремния после полировки приобретает металлический блеск.

3. Плотность и удельный вес

Теоретическая плотность нитрида кремния составляет 3100±10 кг/м. ³ . Фактически измеренный истинный удельный вес α-Si ₃ Н ₄ составляет 3184 кг/м ³ и истинный удельный вес β-Si ₃ N ₄ составляет 3187 кг/м ³ . Насыпная плотность керамики из нитрида кремния сильно варьируется в зависимости от процесса, обычно составляет более 80% от теоретической плотности и варьируется от 2200 до 3200 кг/м. ³ . Основная причина разницы в плотности – пористость. Пористость реакционно-спеченного нитрида кремния обычно составляет около 20%, а плотность — от 2200 до 2600 кг/м. ³ , в то время как пористость нитрида кремния горячего прессования ниже 5%, а плотность от 3000 до 3200 кг/м. ³ .По сравнению с другими материалами аналогичного назначения, он не только имеет меньшую плотность, чем все жаропрочные сплавы, но и один из самых низких по плотности среди высокотемпературной конструкционной керамики.

4. Электрическая изоляция

Керамика из нитрида кремния может использоваться в качестве высокотемпературных изоляционных материалов, а ее эксплуатационные показатели во многом зависят от метода синтеза и чистоты. Неазотированный, свободный от азотирования кремний в материале, а также внесенные в процессе приготовления примеси, такие как щелочные металлы, щелочноземельные металлы, железо, титан, никель и т.д., ухудшают электрические свойства нитридкремниевой керамики. Обычно удельное сопротивление керамики из нитрида кремния в сухой среде при комнатной температуре составляет 1015–1016 Ом, а диэлектрическая проницаемость – 9,4–9,5. При высоких температурах керамика из нитрида кремния сохраняет относительно высокое значение удельного сопротивления. При улучшении условий процесса нитрид кремния может войти в ряд широко используемых диэлектриков.

В. Термические свойства

Коэффициент теплового расширения спеченного нитрида кремния низкий и составляет 2,53×10-6/℃, а теплопроводность — 18,42 Вт/м·К. Он обладает хорошей термостойкостью, уступая только кварцу и микрокристаллическому стеклу. По данным экспериментальных отчетов, реакционно-спеченный образец нитрида кремния плотностью 2500 кг/м ³ был охлажден с 1200 ℃ до 20 ℃ и не растрескался после тысяч термических циклов. Керамика из нитрида кремния обладает хорошей термостабильностью и может длительное время использоваться при высоких температурах. Температура использования в окислительной атмосфере может достигать 1400 ℃, а температура использования в нейтральной или восстановительной атмосфере может достигать 1850 ℃.

VI. Механические свойства

Нитрид кремния обладает высокой механической прочностью. Прочность на изгиб обычных изделий горячего прессования составляет 500–700 МПа, а высокая прочность может достигать 1000–1200 МПа; прочность на изгиб после реакционного спекания составляет 200 МПа, а высокая прочность может достигать 300–400 МПа. Хотя прочность изделий, спеченных при комнатной температуре, невысока, ее прочность не снижается при высоких температурах 1200 ~ 1350 ℃. Нитрид кремния имеет низкую высокотемпературную ползучесть. Например, нагрузка реакционно-спеченного нитрида кремния при 1200 ℃ составляет 24 МПа, а деформация составляет 0,5% после 1000 часов.

VII. Коэффициент трения и самосмазывающаяся способность

Коэффициент трения керамики из нитрида кремния невелик, а увеличение коэффициента трения также невелико в условиях высокой температуры и высокой скорости, что может обеспечить нормальную работу механизма. Это заметное преимущество керамики из нитрида кремния. Когда керамика из нитрида кремния начинает изнашиваться, коэффициент трения скольжения достигает 1,0–1,5. После прецизионного шлифования коэффициент трения значительно снижается и остается ниже 0,5. Поэтому считается, что керамика из нитрида кремния обладает самосмазывающимися свойствами. В отличие от графита, нитрида бора и талька основная причина такого самосмазывания кроется в слоистой структуре структуры материала. Под давлением поверхность трения слегка разлагается с образованием тонкой воздушной пленки, что снижает сопротивление скольжению между поверхностями трения и повышает гладкость поверхности трения. Таким образом, чем больше трение, тем меньше сопротивление, и износ особенно мал. После непрерывного трения материал имеет тенденцию постепенно увеличивать свой коэффициент трения из-за износа поверхности или размягчения из-за повышения температуры.

VIII. Обрабатываемость

Керамика из нитрида кремния может быть обработана до желаемой формы, точности и качества поверхности.

IX. Химическая стабильность

Нитрид кремния имеет хорошие химические свойства и может противостоять коррозии от всех неорганических кислот, за исключением плавиковой кислоты и раствора гидроксида натрия менее 25%. Температура его стойкости к окислению может достигать 1400 ℃, а температура использования в восстановительной атмосфере может достигать 1870 ℃. Не намокает металлы (особенно жидкий алюминий) и тем более неметаллы.

Из приведенных выше физических и химических свойств керамики из нитрида кремния видно, что хорошие характеристики керамики из нитрида кремния имеют особое прикладное значение для рабочей среды с высокой температурой, высокой скоростью и сильными коррозионными средами, часто встречающимися в современных технологиях. Его выдающиеся преимущества:

Он имеет следующие моменты:

(1) Высокая механическая прочность и твердость, близкая к корунду. Прочность на изгиб при комнатной температуре нитрида кремния, полученного горячим прессованием, может достигать 780-980 МПа, некоторые из них даже выше, чем у легированной стали, а прочность может поддерживаться до 1200 ℃ без ухудшения качества.

(2) Механическая самосмазка, низкий коэффициент поверхностного трения, износостойкость, высокий модуль упругости и устойчивость к высоким температурам.

(3) Низкий коэффициент теплового расширения, высокая теплопроводность и хорошая устойчивость к термическому удару.

(4) Низкая плотность и низкий удельный вес.

(5) Коррозионная стойкость и стойкость к окислению.

(6) Хорошая электрическая изоляция..