Cos'è il nitruro di silicio
Il nitruro di silicio (SI3N4) è un composto chimico non metallico inorganico policristallino basato sulla sintesi di silicio e azoto, un significativo materiale ceramico importante.
La ceramica di nitruro di silicio offre proprietà meccaniche, termiche, elettriche e chimiche di quasi tutte le ceramiche avanzate in una, in particolare la sua resistenza alle shock termiche ultra-alta e shock termico, nonché una resistenza estremamente dura e usura In molti ambienti difficili e le industrie ad alta tecnologia hanno una vasta gamma di applicazioni.
Vantaggi materiali
※ Alevata resistenza e impatto di shock termico imbattibile
※ Temperatura di servizio superbo a 1300 ℃ in aria
※ Durezza superiore e resistenza all'usura con bassa frizione
※ Elevata stabilità di resistenza meccanica ad alta temperatura
※ Alte resistenze di flessione e alta tenacità della frattura
※ alta fatica meccanica e resistenza al creep
※ bassa espansività termica simile ai chip SI
※ Buona isolamento elettrico e resistenza dielettrica
※ alta rigidità e alta rigidità
※ bassa densità con leggero rispetto alla maggior parte dei metalli
※ Eccellente stabilità chimica, corrosione e resistenza all'erosione
Usi e applicazioni
※ Elettronica: isolanti elettrici, dispositivi a semiconduttore di potenza, dispositivi di visualizzazione fotoelettrica, ecc.
※ Ingegneria meccanica: utensili da taglio, cuscinetti a sfere ad alta precisione, cuscinetti a rulli, ruote per ingranaggi, ecc.
※ Medical: impianti dentali, protesi articolari, riparazione della colonna vertebrale, impianto articolare, biosensori e dispositivi diagnostici, sistemi di consegna della farmaco, strumenti microchirurgici, dispositivi medici impiantabili, ecc.
※ Materiali ad alto temperatura: accensione del forno, tubi del riscaldatore, fodere degli ugelli, ugelli di saldatura TIG, crogiolo in ceramica, ecc.
※ Industria automobilistica: parti del motore, turbocompressore, sistema di frenatura, sistema di controllo delle emissioni, ecc.
※ Aerospace: pale della turbina, rivestimento in ceramica, film sottile in ceramica, strumentazione aeronautica, rivestimento del motore aero, ecc.
※ Altri campi includono celle solari, valvole, facce di tenuta, wafer in ceramica, substrati ceramici di dissipazione del calore, perni di posizionamento della saldatura, guide d'onda di nitruro di silicio, membrane di nitruro di silicio, ecc.
Sintesi di nitruro di silicio
Il nitruro di silicio include principalmente i seguenti metodi di sintesi come materiale ceramico sintetico.
※ Metodo di nitriding diretto
La polvere di silice ad alta purezza viene posizionata in un'atmosfera di azoto e la reazione chimica viene effettuata a 1300 ° C ~ 1400 ° C per ottenere polvere di nitruro di silicio. La sua formula chimica è 3 Si + 2n2 → Si3n4.
※ Metodo di deposizione chimica (CVD)
Le materie prime primarie di questo metodo sono tetracloruro di silicio, azoto puro e idrogeno, che vengono miscelati a 1000 ° C ~ a 1200 ° C. La purezza della nitriding ottenuta è alta. La sua formula chimica (nitruro di silicio cvd) è 3sicl4 + 2n2 + 6h2 = si3n4 + 12hcl
※ SI (NH2) 4 Metodo di decomposizione termica
Il tetracloruro di silicio e l'ammoniaca vengono prima combinati per formare SI (NH2) 4 e HCl, e quindi viene pirolizzato SI (NH2) 4 per ottenere polvere di nitruro di silicio.
La sua formula chimica è SICL4 + 4NH3 → SI (NH2) 4 + 4HCl, 3SI (NH2) 4 （Riscaldamento） → Si3N4 + 8NH3
※ Metodo di riduzione del carbonio
È un metodo comunemente usato per preparare la polvere di nitruro di silicio; Il principio di base è usare il carbonio per ridurre la polvere di biossido di silicio in un ambiente di azoto ad alta temperatura per preparare la polvere di nitruro di silicio.
La sua formula chimica è: 3SIO2 (s) + 6c (s) + 2n2 (g) = si3n4 (s) + 6co (g)
※ Metodo sol-gel
Questo è un processo avanzato per la produzione di polvere di nitruro di silicio. Il metodo Sol-gel utilizza una sorgente di silicio altamente attiva come precursore, che viene miscelato in fase liquida per formare un sol. Quindi, la polvere di nitruro di silicio su scala nano viene preparata mediante essiccazione e sinterizzazione. Questo metodo di produzione si traduce in polvere di nitruro di silicio uniforme e di alta qualità.
※ Metodo di auto-propagazione
Questo metodo di sintesi accende il corpo in polvere uniformemente miscelato con polvere di silicio e nitruro di silicio attraverso una fonte di riscaldamento esterna. Utilizza il calore rilasciato dalla loro reazione per sintetizzare ulteriormente.
I metodi di sintesi di cui sopra presentano vantaggi e svantaggi e nelle applicazioni pratiche, la scelta finale deve essere basata sui requisiti specifici delle prestazioni e dei costi del prodotto.
Struttura cristallina in ceramica Si3n4
La ceramica di nitruro di silicio comprende principalmente α-Si3n4 (nitruro di alfa silicio), β-Si3n4 (nitruro di beta silicio) e γ-Si3n4 (nitruro di silicio cubico) ， Fare riferimento alla Figura 1 seguente. comune.
Strutture cristalline di nitruro di silicio
Con l'aumento della temperatura, la fase cristallina di α-Si3N4 viene convertita in β-Si3N4 a 1400 ° C ~ 1800 ° C, ma questa metamorfosi è irreversibile. Pertanto, il verificarsi della trasformazione di fase è benefico per il verificarsi di α-Si3N4 nel processo di uso ad alta temperatura. In confronto, β-Si3N4 è un materiale ceramico stabile in fase cristallina in termodinamica.
Metodi di preparazione in ceramica SI3N4
Secondo diversi metodi di sinterizzazione, può essere diviso in nitruro di silicio sinterizzato dalla pressione del gas,
Nitruro di silicio sinterizzato legato alla reazione, nitruro di silicio sinterizzato senza pressione e nitruro di silicio sinterizzato a caldo. Diversi tipi di ceramiche di nitruro di silicio sinterizzato hanno una morfologia di grano diversa, intergranulare
Morfologia, porosità e morfologia dei pori, quindi le loro proprietà sono molto diverse.
※ nitruro di silicio sinterizzato legato alla reazione
La polvere di nitruro di silicio viene prima modellata in una billetta verde che è coerente con la forma del prodotto finito e quindi pre-fatta in una fornace di atmosfera di azoto. La billetta verde pre-filata ha una forza specifica, che gli consente di essere lavorata. Poiché il restringimento del materiale di nitruro di silicio è minimo (<0,11%), il vuoto lavorato è completamente sinterizzato per ottenere un prodotto con strutture complesse e dimensioni relativamente precise. La sinterizzazione della reazione è il metodo più comunemente usato per preparare la ceramica di nitruro di silicio.
※ Sintering senza pressioni
Il metodo di sinterizzazione senza pressione viene effettuato in un'atmosfera di azoto di 1700 ° C ~ 1800 ° C a pressione atmosferica. La densa ceramica di nitruro di silicio viene preparata usando la decomposizione
Reazione della polvere di nitruro di silicio ad alte temperature. La ceramica di nitruro di silicio preparato con questo metodo ha un'elevata resistenza meccanica.
※ Nitruro di silicio di sinterizzazione della pressione del gas
La sinterizzazione pneumatica viene generalmente effettuata a circa 2000 ° C, 1 ~ 10 MPA. La polvere di nitruro di silicio verrà aggiunta agli additivi di sinterizzazione ad alta temperatura come MGO e Y2O3 per promuovere la crescita del grano del nitruro di silicio e i prodotti ceramici di nitruro di silicio con purezza maggiore del 99% e si può ottenere un'elevata tesi.
※ nitruro di silicio sinterizzato a caldo
Il metodo di sinterizzazione che prevede a caldo prevede l'aggiunta di una piccola quantità di polvere di nitruro di silicio di MgO, Al2O3 e ad alta purezza sopra i 1600 ° C e 1916MPa. Mgf2, Fe2O3 e altri additivi sinteriosi sono sinterizzati per ottenere ceramiche di nitruro di silicio ad alta resistenza, alta durezza e ad alta densità.
Pensieri finali
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 industrie esigenti e hanno una gamma più completa di applicazioni.