O que é nitreto de silício
O nitreto de silício (SI3N4) é um composto químico não -metálico inorgânico policristalino baseado na síntese de silício e nitrogênio, um material cerâmico importante significativo.
A cerâmica de nitreto de silício oferece as propriedades mecânicas, térmicas, elétricas e químicas de quase todas as cerâmicas avançadas em um, especialmente sua resistência ao choque térmico ultra-alta e choque térmico, além de resistência extremamente dura e de desgaste, tornando-o uma cerâmica funcional e estrutural Em muitos ambientes severos e exigentes, as indústrias de alta tecnologia têm uma vasta gama de aplicações.
Vantagens materiais
※ Resistência e impacto de choques térmicos imbatíveis de alta térmica
※ Temperatura de serviço excelente para 1300 ℃ no ar
※ Disidade superior e resistência ao desgaste com baixo fricção
※ Estabilidade de alta resistência mecânica sob alta temperatura
※ Altos forças de flexão e alta resistência à fratura
※ Alta fadiga mecânica e resistência à fluência
※ Baixa expansividade térmica semelhante aos chips SI
※ Boa isolamento elétrico e força dielétrica
※ Alta rigidez e alta rigidez
※ Baixa densidade com leve que a maioria dos metais
※ Excelente estabilidade química, corrosão e resistência à erosão
Usos e aplicações
※ Eletrônica: isoladores elétricos, dispositivos semicondutores de energia, dispositivos de exibição fotoelétrica, etc.
※ Engenharia mecânica: ferramentas de corte, rolamentos de esferas de alta precisão, rolamentos de rolos, rodas de engrenagem, etc.
※ Médico: implantes dentários, prótese articular, reparo da coluna, implante articular, biossensores e dispositivos de diagnóstico, Sistemas de entrega de Drug, ferramentas microcirúrgicas, dispositivos médicos implantáveis, etc.
※ Materiais de alta temperatura: Ignitoramento de forno, tubos de aquecedor, forros de bicos, bocais de soldagem de Tig, cadinho de cerâmica, etc.
※ Indústria automobilística: peças do motor, turbocompressor, sistema de frenagem, sistema de controle de emissões, etc.
※ Aeroespacial: lâminas de turbina, revestimento de cerâmica, filme fino de cerâmica, instrumentação de aviação, revestimento do motor aero, etc.
※ Outros campos incluem células solares, válvulas, faces de vedação, bolachas de cerâmica, substratos cerâmicos de dissipação de calor, pinos de posicionamento de solda, guias de onda de nitreto de silício, membranas de nitreto de silício, etc.
Síntese de nitreto de silício
O nitreto de silício inclui principalmente os seguintes métodos de síntese como material cerâmico sintético.
※ Método de nitregação direta
O pó de sílica de alta pureza é colocado em uma atmosfera de nitrogênio e a reação química é realizada a 1300 ° C ~ 1400 ° C para obter pó de nitreto de silício. Sua fórmula química é 3 Si + 2N2 → Si3N4.
※ Método de deposição química (CVD)
As matérias -primas primárias deste método são tetracloreto de silício, nitrogênio puro e hidrogênio, que são misturados a 1000 ° C ~ a 1200 ° C. A pureza da nitreta obtida é alta. Sua fórmula química (nitreto de silício CVD) é 3SICL4 + 2N2 + 6H2 = SI3N4 + 12HCL
※ Si (NH2) 4 Método de decomposição térmica
O tetracloreto de silício e a amônia são combinados pela primeira vez para formar Si (NH2) 4 e HCl, e então o Si (NH2) 4 é pirolisado para obter nitreto de silício em pó.
Sua fórmula química é Sicl4 + 4NH3 → Si (NH2) 4 + 4HCl, 3SI (NH2) 4 （Aquecimento） → Si3N4 + 8NH3
※ Método de redução de carbono térmico
É um método comumente usado para preparar pó de nitreto de silício; O princípio básico é usar carbono para reduzir o pó de dióxido de silício em um ambiente de nitrogênio de alta temperatura para preparar o pó de nitreto de silício.
Sua fórmula química é: 3sio2 (s) + 6c (s) + 2n2 (g) = Si3n4 (s) + 6co (g)
※ Método sol-gel
Este é um processo avançado para a produção de pó de nitreto de silício. O método Sol-Gel usa uma fonte de silício altamente ativa como precursor, que é misturado na fase líquida para formar um sol. Em seguida, o pó de nitreto de silício em nano escala é preparado por secagem e sinterização. Este método de produção resulta em pó de nitreto de silício uniforme e de alta qualidade.
※ Método de autopropagação
Esse método de síntese acende o corpo em pó uniformemente misturado com silício em pó e nitreto de silício através de uma fonte de aquecimento externa. Ele usa o calor liberado por sua reação para sintetizar ainda mais.
Os métodos de síntese acima têm vantagens e desvantagens e, em aplicações práticas, a escolha final deve se basear nos requisitos específicos do desempenho e do custo do produto.
Estrutura cristalina de cerâmica SI3N4
A cerâmica de nitreto de silício inclui principalmente α-SI3N4 (nitreto de silício alfa), β-Si3N4 (nitreto de silício beta) e γ-SI3N4 (nitreto de silício cúbico), consulte a maioria da figura 1. A maioria dos nitretos de silício e a beta silicon ， é a figura 1. comum.
Estruturas cristalinas de nitreto de silício
Com o aumento da temperatura, a fase cristalina do α-SI3N4 é convertida em β-SI3N4 a 1400 ° C ~ 1800 ° C, mas essa metamorfose é irreversível. Portanto, a ocorrência de transformação de fase é benéfica para a ocorrência de α-SI3N4 no processo de uso de alta temperatura. Em comparação, o β-SI3N4 é um material de cerâmica estável da fase cristalina na termodinâmica.
Métodos de preparação de cerâmica SI3N4
De acordo com diferentes métodos de sinterização, pode ser dividido em nitreto de silício sinterizado por pressão de gás,
Nitreto de silício de sinterização ligado à reação, nitreto de silício de sinterização sem pressionamento e nitreto de silicone sinterizado pressionado a quente. Diferentes tipos de cerâmica de nitreto de silício sinterizado têm diferente morfologia de grãos, intergranular
Morfologia, porosidade e morfologia dos poros, portanto suas propriedades são muito diferentes.
※ Nitreto de silício de sinterização ligado à reação
O pó de nitreto de silício é primeiro moldado em um tarugo verde que é consistente com o formato do produto acabado e depois pré-disparado em um forno de atmosfera de nitrogênio. O tarugo verde pré-disparado tem uma força específica, que permite que ele seja usinado. Como o encolhimento do material de nitreto de silício é mínimo (<0,11%), o branco usinado é completamente sinterizado para obter um produto com estruturas complexas e tamanho relativamente preciso. A sinterização da reação é o método mais comumente usado para preparar a cerâmica de nitreto de silício.
※ Sinteting sem pressionamento
O método de sinterização sem pressionamento é realizado em uma atmosfera de nitrogênio de 1700 ° C ~ 1800 ° C à pressão atmosférica. A densa cerâmica de nitreto de silício é preparada usando a decomposição
Reação do pó de nitreto de silício a altas temperaturas. A cerâmica de nitreto de silício preparada por esse método tem alta resistência mecânica.
※ Nitreto de silício de sinterização por pressão de pressão de gás
A sinterização pneumática é geralmente realizada a cerca de 2000 ° C, 1 ~ 10MPa. O pó de nitreto de silício será adicionado aos aditivos de sinterização de alta temperatura, como MgO e Y2O3, para promover o crescimento de grãos de nitreto de silício e produtos de cerâmica de nitreto de silício com pureza maior que 99% e alta resistência pode ser obtida.
※ Nitreto de silício de sinterização pressionado a quente
O método de sinterização a quente envolve a adição de uma pequena quantidade de pó de nitreto de silício MGO, AL2O3 e alta pureza acima de 1600 ° C e 1916MPa. MGF2, Fe2O3 e outros aditivos de sinterização são sinterizados para obter alta resistência, alta dureza e cerâmica de nitreto de silício de alta densidade.
Pensamentos finais
Com a exploração e pesquisa adicionais do mecanismo e propriedades de materiais de cerâmica de nitreto de silício, especialmente a melhoria da tecnologia de preparação de nitreto em silício e o advento de equipamentos em larga escala, é previsível que a cerâmica de nitreto de silício desempenhe um papel mais crítico em vários Indústrias exigentes e têm uma gama mais abrangente de aplicações.