Qu'est-ce que le nitrure de silicium
Le nitrure de silicium (SI3N4) est un composé chimique non métallique polycristallin non métallique basé sur la synthèse de silicium et d'azote, un matériau en céramique important.
La céramique au nitrure de silicium offre les propriétés mécaniques, thermiques, électriques et chimiques de presque toutes les céramiques avancées en une, en particulier sa résistance aux chocs thermiques ultra-élevés et son choc thermique, ainsi qu'une résistance extrêmement dure et usagée, ce qui en fait une céramique fonctionnelle et structurelle Dans de nombreux environnements difficiles et les industries de haute technologie exigeantes ont une vaste gamme d'applications.
Avantages matériels
※ Résistance et impact sur les chocs thermiques élevés imbattables
※ Température de service super-haut à 1300 ℃ dans les airs
※ Dureté supérieure et résistance à l'usure à faible friction
※ Stabilité de résistance mécanique élevée à haute température
※ Forces de flexion élevées et ténacité élevée
※ Haute résistance à la fatigue mécanique et au fluage
※ Faible expansivité thermique similaire aux puces SI
※ Bonne isolation électrique et résistance diélectrique
※ Raideur élevée et rigidité élevée
※ Basse densité avec léger que la plupart des métaux
※ Excellente stabilité chimique, corrosion et résistance à l'érosion
Utilisations et applications
※ Électronique: isolatrices électriques, dispositifs de semi-conducteurs électriques, dispositifs d'affichage photoélectriques, etc.
※ Génie mécanique: outils de coupe, roulements à billes de haute précision, roulements à rouleaux, roues d'engrenages, etc.
※ Médical: implants dentaires, prothèse conjointe, réparation de la colonne vertébrale, implantation articulaire, biocapteurs et dispositifs de diagnostic, RG SYSTÈMES DE DRUG, outils microchirurgicaux, dispositifs médicaux implantables, etc.
※ MATÉRIAUX À TIMP HAUTEUR: Allumeur de fournaise, tubes de chauffage, revêtements de buse, buses de soudage TIG, CRUCICE DE CERAMIQUE, etc.
※ Industrie automobile: pièces de moteur, turbocompresseur, système de freinage, système de contrôle des émissions, etc.
※ Aerospace: lames de turbine, revêtement en céramique, film mince en céramique, instrumentation aéronautique, doublure du moteur aero, etc.
※ Les autres champs comprennent les cellules solaires, les vannes, les faces d'étanchéité, les plaquettes en céramique, la dissipation de chaleur substrats en céramique, les épingles de positionnement de soudure, les guides d'ondes du nitrure de silicium, les membranes de nitrure de silicium, etc.
Synthèse du nitrure de silicium
Le nitrure de silicium comprend principalement les méthodes de synthèse suivantes en tant que matériau en céramique synthétique.
※ Méthode de nitrative directe
La poudre de silice de haute pureté est placée dans une atmosphère d'azote, et la réaction chimique est effectuée à 1300 ° C ~ 1400 ° C pour obtenir de la poudre de nitrure de silicium. Sa formule chimique est de 3 Si + 2N2 → Si3N4.
※ Méthode de dépôt chimique (CVD)
Les principales matières premières de cette méthode sont le tétrachlorure de silicium, l'azote pur et l'hydrogène, qui sont mélangés à 1000 ° C ~ à 1200 ° C. La pureté de nitrative obtenue est élevée. Sa formule chimique (Silicon Nitrure CVD) est 3Sicl4 + 2N2 + 6H2 = Si3N4 + 12Hcl
※ SI (NH2) 4 Méthode de décomposition thermique
Le tétrachlorure de silicium et l'ammoniac sont d'abord combinés pour former Si (NH2) 4 et HCl, puis le Si (NH2) 4 est pyrolysé pour obtenir de la poudre de nitrure de silicium.
Sa formule chimique est SICL4 + 4NH3 → SI (NH2) 4 + 4HCl, 3SI (NH2) 4 （Chauffage） → Si3N4 + 8NH3
※ Méthode de réduction des carbone
Il s'agit d'une méthode couramment utilisée pour préparer la poudre de nitrure de silicium; Le principe de base est d'utiliser du carbone pour réduire la poudre de dioxyde de silicium dans un environnement d'azote à haute température pour préparer la poudre de nitrure de silicium.
Sa formule chimique est: 3SIO2 (s) + 6c (s) + 2n2 (g) = si3n4 (s) + 6CO (g)
※ Méthode sol-gel
Il s'agit d'un processus avancé pour la production de poudre de nitrure de silicium. La méthode sol-gel utilise une source de silicium très active comme précurseur, qui est mélangé dans la phase liquide pour former un sol. Ensuite, la poudre de nitrure de silicium nano-à l'échelle est préparée par séchage et frittage. Cette méthode de production entraîne une poudre de nitrure de silicium uniforme de haute qualité.
※ Méthode d'autopropagation
Cette méthode de synthèse enflamme le corps en poudre uniformément mélangé avec de la poudre de silicium et du nitrure de silicium à travers une source de chauffage externe. Il utilise la chaleur libérée par leur réaction pour synthétiser davantage.
Les méthodes de synthèse ci-dessus présentent des avantages et des inconvénients, et dans les applications pratiques, le choix final doit être basé sur les exigences spécifiques de la performance et du coût des produits.
Structure cristalline en céramique SI3N4
Les céramiques de nitrure de silicium comprennent principalement α-si3N4 (nitrure de silicium alpha), β-si3N4 (nitrure de silicium bêta) et γ-Si3N4 (nitrure de silicium cubique) ， se référer à la figure 1. commun.
Structures de cristal nitrure de silicium
Avec l'augmentation de la température, la phase cristalline de α-Si3N4 est convertie en β-Si3N4 à 1400 ° C ~ 1800 ° C, mais cette métamorphose est irréversible. Par conséquent, la survenue d'une transformation de phase est bénéfique à la survenue de α-si3n4 dans le processus d'utilisation à haute température. En comparaison, β-si3n4 est un matériau céramique stable en phase cristalline dans la thermodynamique.
Méthodes de préparation en céramique SI3N4
Selon différentes méthodes de frittage, il peut être divisé en nitrure de silicium fritté à la pression de gaz,
Nitrure de silicium de frittage lié à la réaction, nitrure de silicium sans presseur et nitrure de silicium fritté pressé. Différents types de céramiques de nitrure de silicium fritté ont une morphologie de grain différente, intergranulaire
morphologie, porosité et morphologie des pores, donc leurs propriétés sont très différentes.
※ Nitrure de silicium de frittage lié à la réaction
La poudre de nitrure de silicium est d'abord moulée en une billette verte cohérente avec la forme du produit fini, puis pré-alimée dans une fournaise d'atmosphère d'azote. La billette verte pré-alimée a une résistance spécifique, ce qui lui permet d'être usiné. Parce que le rétrécissement du nitrure de silicium est minime (<0,11%), le blanc usiné est complètement fritté pour obtenir un produit avec des structures complexes et une taille relativement précise. Le frittage de réaction est la méthode la plus couramment utilisée pour préparer les céramiques de nitrure de silicium.
※ frittage sans pression
La méthode de frittage sans pression est réalisée dans une atmosphère d'azote de 1700 ° C ~ 1800 ° C à la pression atmosphérique. Les céramiques de nitrure de silicium dense sont préparées en utilisant la décomposition
Réaction de la poudre de nitrure de silicium à des températures élevées. Les céramiques de nitrure de silicium préparées par cette méthode ont une forte résistance mécanique.
※ Nitrure de silicium de la pression de gaz
Le frittage pneumatique est généralement effectué à environ 2000 ° C, 1 ~ 10MPA. La poudre de nitrure de silicium sera ajoutée aux additifs de frittage à haute température tels que MgO et Y2O3 pour favoriser la croissance des grains du nitrure de silicium et des produits en céramique de nitrure de silicium avec une pureté supérieure à 99% et une forte ténacité peut être obtenue.
※ Nitrure de silicium de frittage pressé chaud
La méthode de frittage à chaud consiste à ajouter une petite quantité de MGO, AL2O3 et de poudre de nitrure de silicium de haute pureté supérieure à 1600 ° C et 1916MPA. MGF2, FE2O3 et d'autres additifs de frittage sont frittés pour obtenir une céramique à haute résistance, une dureté élevée et à la céramique de nitrure de silicium à haute densité.
Réflexions finales
With the further exploration and research of the mechanism and properties of silicon nitride ceramic materials, especially the improvement of silicon nitride powder preparation technology and the advent of large-scale equipment, It is foreseeable that silicon nitride ceramics will play a more critical role in various Les industries exigeantes et ont une gamme plus complète d'applications.