ما هو نيتريد السيليكون
نيتريد السيليكون (SI3N4) عبارة عن مركب كيميائي غير عضوي غير عضوي يعتمد على تخليق السيليكون والنيتروجين ، وهو مادة سيراميك مهمة مهمة.
يوفر سيراميك نيتريد السيليكون الخواص الميكانيكية والحرارية والكهربائية والكيميائية لجميع السيراميك المتقدم تقريبًا في واحدة ، وخاصة مقاومة الصدمات الحرارية عالية الفائقة والصدمة الحرارية ، وكذلك المقاومة الصلبة للغاية والارتداء ، مما يجعله سيراميكًا وظيفيًا وهيكليًا في العديد من البيئات القاسية والصناعات ذات التقنية العالية لديها مجموعة واسعة من التطبيقات.
مزايا المواد
※ لا يهزم مقاومة الصدمة الحرارية والتأثير
※ درجة حرارة الخدمة العالية الرائعة إلى 1300 ℃ في الهواء
※ الصلابة الفائقة وارتداء المقاومة مع الاحتكاك المنخفض
※ ثبات القوة الميكانيكية العالية تحت درجة حرارة عالية
※ نقاط قوة الانثناء العالية ومتانة عالية الكسر
※ التعب الميكانيكي العالي ومقاومة الزحف
※ التوسعة الحرارية المنخفضة مماثلة لرقائق SI
※ العزل الكهربائي الجيد والقوة العازلة
※ الصلابة العالية والصلابة العالية
※ كثافة منخفضة مع خفيفة الوزن من معظم المعادن
※ الاستقرار الكيميائي الممتاز والتآكل ومقاومة التآكل
الاستخدامات والتطبيقات
※ الإلكترونيات: عوازل كهربائية ، أجهزة أشباه الموصلات الكهربائية ، أجهزة عرض كهروضوئية ، إلخ.
※ الهندسة الميكانيكية: أدوات القطع ، محامل الكرات عالية الدقة ، محامل الأسطوانة ، عجلات التروس ، إلخ.
※ الطبية: زراعة الأسنان ، الاصطناعية المشتركة ، إصلاح العمود الفقري ، زرع المفاصل ، أجهزة الاستشعار الحيوية والأجهزة التشخيصية ، أنظمة توصيل drug ، الأدوات الجراحية الدقيقة ، الأجهزة الطبية القابلة للزرع ، إلخ.
※ المواد عالية الإيقاع: فرن Ignitor ، أنابيب سخان ، بطانات فوهة ، فتحات لحام تيج ، بوتقة السيراميك ، إلخ.
※ صناعة السيارات: قطع غيار المحرك ، الشاحن التوربيني ، نظام الكبح ، نظام التحكم في الانبعاثات ، إلخ.
※ Aerospace: شفرات التوربينات ، طلاء سيراميك ، فيلم رفيع للسيراميك ، أدوات الطيران ، بطانة محرك aero ، إلخ.
※ تشمل الحقول الأخرى الخلايا الشمسية ، والصمامات ، ووجوه الختم ، والرقائق الخزفية ، وركائز خزفية تبديد الحرارة ، ودبابيس تحديد موقع اللحام ، وأرشيد موجات نيتريد السيليكون ، وأغشية نيتريد السيليكون ، وما إلى ذلك ، إلخ.
تخليق نيتريد السيليكون
يتضمن نيتريد السيليكون بشكل رئيسي طرق التوليف التالية كمواد خزفية اصطناعية.
※ طريقة النترادة المباشرة
يتم وضع مسحوق السيليكا عالي النقاء في جو النيتروجين ، ويتم التفاعل الكيميائي عند 1300 درجة مئوية ~ 1400 درجة مئوية للحصول على مسحوق نيتريد السيليكون. صيغتها الكيميائية هي 3 Si + 2n2 → Si3n4.
※ طريقة الترسيب الكيميائي (CVD)
المواد الخام الأولية لهذه الطريقة هي رباعي كلوريد السيليكون ، النيتروجين النقي ، والهيدروجين ، والتي يتم خلطها عند 1000 درجة مئوية إلى 1200 درجة مئوية. نقاء النترنج الذي تم الحصول عليه مرتفع. الصيغة الكيميائية (السيليكون نيتريد CVD) هي 3SICL4 + 2N2 + 6H2 = SI3N4 + 12HCL
※ SI (NH2) 4 طريقة التحلل الحراري
يتم دمج رباعي كلوريد السيليكون والأمونيا أولاً لتشكيل Si (NH2) 4 و HCl ، ثم Si (NH2) 4 يتم حذفه للحصول على مسحوق نيتريد السيليكون.
صيغتها الكيميائية هي SICL4 + 4NH3 → SI (NH2) 4 + 4HCL ، 3SI (NH2) 4 （التسخين） → SI3N4 + 8NH3
※ طريقة تقليل الكربون
إنها طريقة شائعة الاستخدام لإعداد مسحوق نيتريد السيليكون ؛ المبدأ الأساسي هو استخدام الكربون لتقليل مسحوق ثاني أكسيد السيليكون في بيئة النيتروجين عالية الحرارة لإعداد مسحوق نيتريد السيليكون.
صيغتها الكيميائية هي: 3Sio2 (s) + 6c (s) + 2n2 (g) = si3n4 (s) + 6co (g)
※ طريقة SOL-GEL
هذه عملية متقدمة لإنتاج مسحوق نيتريد السيليكون. تستخدم طريقة SOL-GEL مصدر سيليكون نشط للغاية كسلائف ، يتم خلطها في الطور السائل لتشكيل SOL. بعد ذلك ، يتم تحضير مسحوق نيتريد السيليكون على نطاق النانو عن طريق التجفيف والتلبيس. تؤدي طريقة الإنتاج هذه إلى مسحوق نيتريد سيليكون موحد وعالي الجودة.
※ طريقة الانتشار الذاتي
تشعل طريقة التوليف هذه المسحوق المخلوط بالتساوي مع مسحوق السيليكون ونيتريد السيليكون من خلال مصدر للتدفئة الخارجي. ويستخدم الحرارة المنبعثة من خلال رد فعلها لمزيد من التوليف.
تتمتع أساليب التوليف أعلاه بمزايا وعيوب ، وفي التطبيقات العملية ، يجب أن يعتمد الخيار النهائي على المتطلبات المحددة لأداء المنتج والتكلفة.
SI3N4 هيكل كريستال السيراميك
تشمل سيراميك نيتريد السيليكون بشكل أساسي α-Si3N4 (نيتريد السيليكون ألفا) ، و β-SI3N4 (نيتريد السيليكون بيتا) ، و γ-Si3n4 (نيترايد السيليكون المكعب) ， تشير إلى الشكل 1. شائع.
الهياكل البلورية نيتريد السيليكون
مع زيادة درجة الحرارة ، يتم تحويل المرحلة البلورية من α-Si3N4 إلى β-Si3n4 عند 1400 درجة مئوية ~ 1800 درجة مئوية ، ولكن هذا التحول لا رجعة فيه. لذلك ، فإن حدوث تحول الطور مفيد لحدوث α-SI3N4 في عملية الاستخدام درجة الحرارة العالية. بالمقارنة ، β-SI3N4 هو مادة سيراميك مستقرة في الطور البلوري في الديناميكا الحرارية.
طرق تحضير السيراميك SI3N4
وفقًا لطرق التلبيد المختلفة ، يمكن تقسيمها إلى نيتريد السيليكون الملبد بالضغط الغاز ،
نيتريد السيليكون الملبد بالتفاعل ، ونيتريد السيليكون الملبد بالضغط ، ونيتريد السيليكون الملبد بالضغط الساخن. أنواع مختلفة من السيراميك نيتريد السيليكون الملبد لها مورفولوجيا الحبوب المختلفة ، بين الحبيبية
التشكل ، المسامية ، ومورفولوجيا المسام ، لذلك خصائصها مختلفة جدا.
※ رد الفعل الملبد بالسيليكون نيتريد
يتم تشكيل مسحوق نيتريد السيليكون أولاً في بليت أخضر يتماشى مع شكل المنتج النهائي ثم يطلقه مسبقًا في فرن الغلاف الجوي للنيتروجين. يتمتع البليت الأخضر الذي يطلقه مسبقًا بقوة محددة ، مما يسمح بتشكيله. نظرًا لأن انكماش مادة نيتريد السيليكون ضئيل (<0.11 ٪) ، فإن الفراغ المدمج يتم تلبيسه تمامًا للحصول على منتج له هياكل معقدة وحجم دقيق نسبيًا. تلبد التفاعل هو الطريقة الأكثر استخدامًا لإعداد سيراميك نيتريد السيليكون.
※ التلبد غير الملحوظ
يتم تنفيذ طريقة التلبد غير المقلدة في جو النيتروجين من 1700 درجة مئوية ~ 1800 درجة مئوية عند الضغط الجوي. يتم تحضير سيراميك نيتريد السيليكون الكثيف باستخدام التحلل
رد فعل مسحوق نيتريد السيليكون في درجات حرارة عالية. السيراميك نيتريد السيليكون الذي تحضيره بهذه الطريقة له قوة ميكانيكية عالية.
※ ضغط غاز نيتريد السيليكون
يتم تنفيذ التلبد الهوائي بشكل عام عند حوالي 2000 درجة مئوية ، 1 ~ 10mpa. ستتم إضافة مسحوق نيتريد السيليكون إلى إضافات تلبيد درجات الحرارة العالية مثل MGO و Y2O3 لتعزيز نمو الحبوب من نيتريد السيليكون ، ويمكن الحصول على منتجات السيليكون الخزفية مع نقاء أكبر من 99 ٪ ويمكن الحصول على صلابة عالية.
※ حار مضغوط سيليكون نيتريد
تتضمن طريقة تلبيس الضغط الساخن إضافة كمية صغيرة من MGO و AL2O3 ومسحوق نيتريد السيليكون عالي النقاء فوق 1600 درجة مئوية و 1916MPa. يتم تلطيخ MGF2 و Fe2O3 وغيرها من المواد المضافة الملبدة للحصول على قوة عالية ، صلابة عالية ، سيراميك سيليكون عالي الكثافة.
الأفكار النهائية
مع مزيد من الاستكشاف والبحث في آلية وخصائص مواد السيراميك النيتريد السيليكون ، وخاصة تحسين تكنولوجيا تحضير مسحوق نيتريد السيليكون وظهور المعدات واسعة النطاق ، من المتوقع أن تلعب السيراميك النيتريد السيليكون دورًا أكثر أهمية في مختلف الصناعات المطالبة ولديها مجموعة أكثر شمولية من التطبيقات.