¿Qué es el nitruro de silicio?
El nitruro de silicio (SI3N4) es un compuesto químico no metálico inorgánico policristalino basado en la síntesis de silicio y nitrógeno, un material cerámico importante significativo.
La cerámica de nitruro de silicio ofrece las propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y químicas de casi todas las cerámicas avanzadas en una, especialmente su resistencia al choque térmico ultra alto y su choque térmico, así como resistencia extremadamente dura y de desgaste, lo que lo convierte en una cerámica funcional y estructural. En muchos entornos duros y las industrias exigentes de alta tecnología tienen una amplia gama de aplicaciones.
Ventajas de material
※ Resistencia e impacto inmejorable de alto choque térmico
※ Temperatura de servicio excelente altas a 1300 ℃ en el aire
※ Dureza superior y resistencia al desgaste con baja fricción
※ Alta estabilidad de resistencia mecánica a alta temperatura
※ Altas fortalezas de flexión y dureza de alta fractura
※ Alta fatiga mecánica y resistencia a la fluencia
※ Baja expansividad térmica similar a los chips de Si
※ Buen aislamiento eléctrico y resistencia dieléctrica
※ Alta rigidez y alta rigidez
※ baja densidad con liviano que la mayoría de los metales
※ Excelente estabilidad química, corrosión y resistencia a la erosión
Usos y aplicaciones
※ Electrónica: aisladores eléctricos, dispositivos de semiconductores de energía, dispositivos de visualización fotoeléctrica, etc.
※ Ingeniería mecánica: herramientas de corte, rodamientos de bolas de alta precisión, rodamientos de rodillos, ruedas de engranajes, etc.
※ Médicos: implantes dentales, prótesis articular, reparación de la columna, implantación articular, biosensores y dispositivos de diagnóstico, sistemas de suministro de fDrug, herramientas microquirúrgicas, dispositivos médicos implantables, etc.
※ Materiales de alta temperatura: encendido del horno, tubos de calentador, revestimientos de boquilla, boquillas de soldadura TIG, crisol de cerámica, etc.
※ Industria del automóvil: piezas del motor, turbocompresor, sistema de frenado, sistema de control de emisiones, etc.
※ Aeroespacial: hojas de turbina, revestimiento de cerámica, película delgada de cerámica, instrumentación de aviación, revestimiento de motor aero, etc.
※ Otros campos incluyen células solares, válvulas, caras de sello, obleas de cerámica, sustratos de cerámica de disipación de calor, pasadores de posicionamiento de soldadura, guías de onda de nitruro de silicio, membranas de nitruro de silicio, etc.
Síntesis de nitruro de silicio
El nitruro de silicio incluye principalmente los siguientes métodos de síntesis como material cerámico sintético.
※ Método de nitruración directa
El polvo de sílice de alta pureza se coloca en una atmósfera de nitrógeno, y la reacción química se lleva a cabo a 1300 ° C ~ 1400 ° C para obtener polvo de nitruro de silicio. Su fórmula química es 3 Si + 2N2 → Si3N4.
※ Método de deposición química (CVD)
Las materias primas principales de este método son el tetracloruro de silicio, el nitrógeno puro y el hidrógeno, que se mezclan a 1000 ° C ~ a 1200 ° C. La pureza de la nitruración obtenida es alta. Su fórmula química (Nitruro de silicio) es 3SICL4 + 2N2 + 6H2 = Si3N4 + 12HCL
※ SI (NH2) 4 Método de descomposición térmica
El tetracloruro de silicio y el amoníaco se combinan primero para formar Si (NH2) 4 y HCl, y luego Si (NH2) 4 se piroliza para obtener polvo de nitruro de silicio.
Su fórmula química es SICL4 + 4NH3 → SI (NH2) 4 + 4HCL, 3SI (NH2) 4 （Calefacción） → Si3N4 + 8NH3
※ Método de reducción de carbono
Es un método de uso común para preparar polvo de nitruro de silicio; El principio básico es usar carbono para reducir el polvo de dióxido de silicio en un entorno de nitrógeno de alta temperatura para preparar el polvo de nitruro de silicio.
Su fórmula química es: 3SiO2 (S) + 6c (s) + 2n2 (g) = Si3N4 (S) + 6CO (g)
※ Método sol-gel
Este es un proceso avanzado para la producción de polvo de nitruro de silicio. El método Sol-Gel utiliza una fuente de silicio altamente activa como precursor, que se mezcla en la fase líquida para formar un sol. Luego, el polvo de nitruro de silicio a nano escala se prepara secando y sinterizando. Este método de producción da como resultado un polvo de nitruro de silicio uniforme de alta calidad.
※ Método de autopropagación
Este método de síntesis enciende el cuerpo de polvo mezclado uniformemente con polvo de silicio y nitruro de silicio a través de una fuente de calentamiento externa. Utiliza el calor liberado por su reacción para sintetizar aún más.
Los métodos de síntesis anteriores tienen ventajas y desventajas, y en aplicaciones prácticas, la elección final debe basarse en los requisitos específicos del rendimiento y el costo del producto.
Estructura cristalina cerámica Si3N4
La cerámica de nitruro de silicio incluye principalmente α-Si3N4 (nitruro de silicio alfa), β-Si3N4 (nitruro de silicio beta) y γ-Si3N4 (nitruro de silicio cúbico), consulte la Figura 1. común.
Estructuras de cristal de nitruro de silicio
Con el aumento de la temperatura, la fase cristalina de α-Si3N4 se convierte en β-Si3N4 a 1400 ° C ~ 1800 ° C, pero esta metamorfosis es irreversible. Por lo tanto, la aparición de transformación de fase es beneficiosa para la aparición de α-Si3N4 en el proceso de uso de alta temperatura. En comparación, β-Si3N4 es un material cerámico estable de fase cristalina en la termodinámica.
SI3N4 Métodos de preparación de cerámica
Según diferentes métodos de sinterización, se puede dividir en nitruro de silicio sinterizado a presión de gas,
Nitruro de silicio sinterizado unido a reacción, nitruro de silicio sinterizado sin presión y nitruro de silicio sinterizado prensado en caliente. Diferentes tipos de cerámica sinterizada de nitruro de silicio tienen una morfología de grano diferente, intergranular
Morfología, porosidad y morfología de poros, por lo que sus propiedades son muy diferentes.
※ Nitruro de silicio sinterizado unido a reacción
El polvo de nitruro de silicio se moldea primero en un tocho verde que es consistente con la forma del producto terminado y luego se prefiere en un horno de atmósfera de nitrógeno. El billet verde pre-cocido tiene una fuerza específica, lo que permite que se mecanice. Debido a que la contracción del material de nitruro de silicio es mínima (<0.11%), el blanco mecanizado está completamente sinterizado para obtener un producto con estructuras complejas y un tamaño relativamente preciso. La sinterización de reacción es el método más utilizado para preparar la cerámica de nitruro de silicio.
※ Sinterización sin presión
El método de sinterización sin presión se lleva a cabo en una atmósfera de nitrógeno de 1700 ° C ~ 1800 ° C a presión atmosférica. La densa cerámica de nitruro de silicio se prepara utilizando la descomposición
Reacción del polvo de nitruro de silicio a altas temperaturas. La cerámica de nitruro de silicio preparada por este método tiene una alta resistencia mecánica.
※ Nitruro de silicio de sinterización de presión de gas
La sinterización neumática generalmente se lleva a cabo a aproximadamente 2000 ° C, 1 ~ 10MPa. El polvo de nitruro de silicio se agregará a los aditivos sinterizantes de alta temperatura, como MgO e Y2O3 para promover el crecimiento del grano de nitruro de silicio, y se pueden obtener productos cerámicos de nitruro de silicio con una pureza superior al 99% y se puede obtener alta tenacidad.
※ Nitruro de silicio de sinterización prensada en caliente
El método de sinterización de presión en caliente implica agregar una pequeña cantidad de MgO, Al2O3 y polvo de nitruro de silicio de alta pureza por encima de 1600 ° C y 1916MPA. Se sinterizan MGF2, Fe2O3 y otros aditivos sinterizantes para obtener alta resistencia, alta dureza y cerámica de nitruro de silicio de alta densidad.
Pensamientos finales
Con la exploración e investigación adicional del mecanismo y las propiedades de los materiales cerámicos de nitruro de silicio, especialmente la mejora de la tecnología de preparación de polvo de nitruro de silicio y el advenimiento de los equipos a gran escala, es previsible que la cerámica de nitruro de silicio desempeñe un papel más crítico en diversos Industrias exigentes y tienen una gama más completa de aplicaciones.