Popis devíti hlavních vlastností produktů materiálů z nitridu křemíku

Devět hlavních vlastností produktu materiálů z nitridu křemíku

1. Složení a struktura

Molekulární vzorec nitridu křemíku je Si ₃ N ₄ , což je sloučenina s kovalentní vazbou. Keramika z nitridu křemíku jsou polykrystalické materiály a jejich krystalická struktura patří do hexagonálního systému. Obecně se dělí na dvě krystalové orientace, α a β, z nichž obě jsou složeny z [SiN ₄ ] ⁴ -čtyřstěn. p-Si ₃ N ₄ má vysokou symetrii a malý molární objem. Je to termodynamicky stabilní fáze při relativní teplotě, zatímco α-Si ₃ N ₄ je relativně snadné dynamicky formovat. Při vysokých teplotách (1400℃～1800℃) podstoupí fáze α fázovou změnu a stane se typem β. Tato změna fáze je nevratná, takže fáze α vede ke slinování.

2. Vzhled

Nitrid křemíku získaný z různých krystalických fází má různý vzhled. a-Si ₃ N ₄ je bílá nebo šedobílá volná vlna nebo jehlovitá a β-"Si ₃ N ₄ je tmavší barvy a jeví se jako hustý zrnitý mnohostěn nebo krátký hranol. Whiskery keramiky z nitridu křemíku jsou průhledné nebo průsvitné a jejich vzhled je šedý, modrošedý až šedočerný, který se mění s hustotou a relativním poměrem a také má jiné barvy díky přísadám. Povrch keramiky z nitridu křemíku má po vyleštění kovový lesk.

3. Hustota a měrná hmotnost

Teoretická hustota nitridu křemíku je 3100±10kg/m ³ . Skutečně naměřená skutečná specifická hmotnost α-Si ₃ N ₄ je 3184 kg/m ³ a skutečnou specifickou hmotnost β-Si ₃ N ₄ je 3187 kg/m ³ . Sypná hustota keramiky z nitridu křemíku se velmi liší v závislosti na procesu, obecně více než 80 % teoretické hustoty, v rozmezí od 2200 do 3200 kg/m ³ . Hlavním důvodem rozdílu hustoty je poréznost. Pórovitost reakčního slinutého nitridu křemíku je obecně kolem 20 % a hustota je 2200 až 2600 kg/m ³ , zatímco pórovitost za tepla lisovaného nitridu křemíku je pod 5 % a hustota je 3000 až 3200 kg/m ³ .Ve srovnání s jinými materiály s podobným použitím má nejen nižší hustotu než všechny vysokoteplotní slitiny, ale také jednu z nejnižších hustot mezi vysokoteplotní strukturální keramikou.

4. Elektrická izolace

Keramiku z nitridu křemíku lze použít jako vysokoteplotní izolační materiály a jejich výkonnostní ukazatele závisí především na způsobu syntézy a čistotě. Nenitridovaný křemík v materiálu, stejně jako nečistoty jako alkalické kovy, kovy alkalických zemin, železo, titan, nikl atd. vnesené během procesu přípravy, zhorší elektrické vlastnosti keramiky z nitridu křemíku. Obecně je měrný odpor keramiky z nitridu křemíku v suchém médiu při pokojové teplotě 1015~1016 ohmů a dielektrická konstanta je 9,4~9,5. Při vysokých teplotách si keramika z nitridu křemíku stále udržuje relativně vysokou hodnotu specifického odporu. Se zlepšením procesních podmínek může nitrid křemíku vstoupit do řad běžně používaných dielektrik.

V. Tepelné vlastnosti

Koeficient tepelné roztažnosti slinutého nitridu křemíku je nízký, což je 2,53 × 10-6/℃, a tepelná vodivost je 18,42 W/m·K. Má dobrou odolnost proti tepelným šokům, na druhém místě za křemenem a mikrokrystalickým sklem. Podle experimentálních zpráv byl vzorek reakčního slinutého nitridu křemíku o hustotě 2500 kg/m ³ byla ochlazena z 1200 ℃ na 20 ℃ a po tisících tepelných cyklů nepraskla. Keramika z nitridu křemíku má dobrou tepelnou stabilitu a lze ji používat po dlouhou dobu při vysokých teplotách. Teplota použití v oxidační atmosféře může dosáhnout 1400 ℃ a teplota použití v neutrální nebo redukční atmosféře může dosáhnout 1850 ℃.

VI. Mechanické vlastnosti

Nitrid křemíku má vysokou mechanickou pevnost. Pevnost v ohybu obecných výrobků lisovaných za tepla je 500~700MPa a vysoká pevnost může dosáhnout 1000~1200MPa; pevnost v ohybu po reakčním slinování je 200 MPa a vysoká pevnost může dosáhnout 300 ~ 400 MPa. Přestože pevnost reakčních slinutých produktů při pokojové teplotě není vysoká, její pevnost se nesnižuje při vysokých teplotách 1200 ~ 1350 ℃. Nitrid křemíku má nízkou vysokoteplotní tečení. Například zatížení reakčního slinutého nitridu křemíku při 1200 ℃ je 24 MPa a deformace je 0,5 % po 1000 h.

VII. Koeficient tření a samomaznost

Koeficient tření keramiky z nitridu křemíku je malý a zvýšení koeficientu tření je také malé za podmínek vysoké teploty a vysoké rychlosti, což může zajistit normální provoz mechanismu. To je výrazná výhoda keramiky z nitridu křemíku. Když se keramika z nitridu křemíku začne opotřebovávat, koeficient kluzného tření dosahuje 1,0 až 1,5. Po přesném broušení je koeficient tření výrazně snížen a zůstává pod 0,5. Proto se keramika z nitridu křemíku považuje za keramiku se samomaznými vlastnostmi. Na rozdíl od grafitu, nitridu boru a mastku spočívá hlavní důvod tohoto samomazání ve vrstvené struktuře struktury materiálu. Pod tlakem se třecí plocha mírně rozloží a vytvoří tenký vzduchový film, který snižuje kluzný odpor mezi třecími plochami a zvyšuje hladkost třecí plochy. Tímto způsobem platí, že čím větší je tření, tím menší je odpor a opotřebení je obzvláště malé. Po kontinuálním tření má materiál tendenci postupně zvyšovat svůj koeficient tření v důsledku opotřebení povrchu nebo měknutí v důsledku zvýšení teploty.

VIII. Obrobitelnost

Keramiku z nitridu křemíku lze obrábět do požadovaného tvaru, přesnosti a povrchové úpravy.

IX. Chemická stabilita

Nitrid křemíku má dobré chemické vlastnosti a odolává korozi ze všech anorganických kyselin kromě kyseliny fluorovodíkové a roztoku hydroxidu sodného méně než 25 %. Jeho teplota odolnosti proti oxidaci může dosáhnout 1400 ℃ a jeho teplota použití v redukční atmosféře může dosáhnout 1870 ℃. Na kovech (zejména tekutém hliníku) nevlhne a na nekovech ještě více.

Z výše uvedených fyzikálních a chemických vlastností keramiky z nitridu křemíku lze vidět, že dobrý výkon keramiky z nitridu křemíku má speciální aplikační hodnotu pro pracovní prostředí s vysokou teplotou, vysokou rychlostí a silnými korozivními médii, se kterými se často setkáváme v moderní technologii. Jeho vynikající přednosti jsou:

Má následující body:

(1) Vysoká mechanická pevnost a tvrdost blízká korundu. Pevnost v ohybu při pokojové teplotě za tepla lisovaného nitridu křemíku může být až 780-980 MPa, některé jsou dokonce vyšší než u legované oceli a pevnost může být udržována až do 1200 ℃ bez degradace.

(2) Mechanické samomazání, nízký koeficient povrchového tření, odolnost proti opotřebení, vysoký modul pružnosti a odolnost proti vysokým teplotám.

(3) Nízký koeficient tepelné roztažnosti, vysoká tepelná vodivost a dobrá odolnost proti tepelným šokům.

(4) Nízká hustota a nízká specifická hmotnost.

(5) Odolnost proti korozi a oxidaci.

(6) Dobrá elektrická izolace.