ซิลิกอนไนไตรด์คืออะไร
ซิลิคอนไนไตรด์ (SI3N4) เป็นสารประกอบทางเคมีที่ไม่ได้เป็นโพลีคริสตัลอนินทรีย์อนินทรีย์จากการสังเคราะห์ซิลิกอนและไนโตรเจนซึ่งเป็นวัสดุเซรามิกที่สำคัญ
เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์นำเสนอคุณสมบัติเชิงกลความร้อนไฟฟ้าและเคมีของเซรามิกขั้นสูงเกือบทั้งหมดในหนึ่งเดียวโดยเฉพาะอย่างยิ่งความต้านทานการกระแทกด้วยความร้อนสูงเป็นพิเศษ ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและต้องการอุตสาหกรรมไฮเทคมีแอพพลิเคชั่นมากมาย
ข้อดีของวัสดุ
resist ความต้านทานต่อแรงกระแทกด้วยความร้อนสูงที่ ไม่ สามารถเอาชนะได้
※ อุณหภูมิการบริการสูงสุดยอดถึง 1300 ℃ในอากาศ
※ ความแข็งที่เหนือกว่าและความต้านทานการสึกหรอด้วยแรงเสียดทานต่ำ
※ เสถียรภาพความแข็งแรงเชิงกลสูงภายใต้อุณหภูมิสูง
※ ความแข็งแรงของการโค้งงอสูงและความเหนียวแตกหักสูง
※ ความเหนื่อยล้าเชิงกลและความต้านทานคืบสูง
※ การขยายตัวทางความร้อนต่ำคล้ายกับชิป SI
※ ฉนวนไฟฟ้าที่ดีและความแข็งแรงของอิเล็กทริก
※ ความแข็งสูงและความแข็งแกร่งสูง
※ ความหนาแน่นต่ำมีน้ำหนักเบากว่าโลหะส่วนใหญ่
※ ความเสถียรทางเคมีที่ยอดเยี่ยมการกัดกร่อนและความต้านทานการกัดเซาะ
ใช้และแอปพลิเคชัน
※ อิเล็กทรอนิกส์: ฉนวนไฟฟ้า, อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์พลังงาน, อุปกรณ์แสดงผลโฟโตอิเล็กทริก ฯลฯ
※ วิศวกรรมเครื่องกล: เครื่องมือตัด, ลูกปืนลูกบอลที่มีความแม่นยำสูง, ตลับลูกปืนลูกกลิ้ง, ล้อเกียร์ ฯลฯ
※ การแพทย์: การปลูกถ่ายทันตกรรม, อวัยวะเทียมร่วม, การซ่อมแซมกระดูกสันหลัง, การปลูกถ่ายร่วม, ไบโอเซนเซอร์และอุปกรณ์วินิจฉัย, ระบบการจัดส่ง drug, เครื่องมือ microsurgical, อุปกรณ์การแพทย์ที่ฝังได้ ฯลฯ
※ วัสดุอุณหภูมิสูง: เตาเผา, ท่อฮีตเตอร์, ซับหัวฉีด, หัวฉีดเชื่อม TIG, เบ้าหลอมเซรามิก ฯลฯ
※ อุตสาหกรรมยานยนต์: ชิ้นส่วนเครื่องยนต์, เทอร์โบชาร์จเจอร์, ระบบเบรก, ระบบควบคุมการปล่อยมลพิษ ฯลฯ
※ การบินและอวกาศ: ใบมีดกังหัน, การเคลือบเซรามิก, ฟิล์มบางเซรามิก, เครื่องมือวัดการบิน, ซับในเครื่องยนต์ aero ฯลฯ
※ ฟิลด์อื่น ๆ ได้แก่ เซลล์แสงอาทิตย์, วาล์ว, ซีลใบหน้า, เวเฟอร์เซรามิก, สารตั้งต้นเซรามิกการกระจายความร้อน, หมุดวางตำแหน่งเชื่อม, ท่อนำคลื่นซิลิคอนไนไตรด์, เยื่อหุ้มซิลิกอนไนไตรด์ ฯลฯ ฯลฯ
การสังเคราะห์ซิลิกอนไนไตรด์
ซิลิคอนไนไตรด์ส่วนใหญ่รวมถึงวิธีการสังเคราะห์ต่อไปนี้เป็นวัสดุเซรามิกสังเคราะห์
※ วิธีการไนเตรทโดยตรง
ผงซิลิกาที่มีความบริสุทธิ์สูงจะอยู่ในบรรยากาศไนโตรเจนและปฏิกิริยาทางเคมีจะดำเนินการที่ 1300 ° C ~ 1400 ° C เพื่อให้ได้ผงซิลิกอนไนไตรด์ สูตรทางเคมีของมันคือ 3 Si + 2N2 → SI3N4
※ วิธีการสะสมสารเคมี (CVD)
วัตถุดิบหลักของวิธีนี้คือซิลิคอนเตตระคลอไรด์ไนโตรเจนบริสุทธิ์และไฮโดรเจนซึ่งผสมที่ 1,000 ° C ~ ถึง 1200 ° C ความบริสุทธิ์ของไนไตรด์ที่ได้รับสูง สูตรเคมี (ซิลิกอนไนไตรด์ CVD) คือ 3SICL4 + 2N2 + 6H2 = SI3N4 + 12HCl
※ Si (NH2) 4 วิธีการสลายตัวทางความร้อน
ซิลิคอนเตตระคลอไรด์และแอมโมเนียจะรวมกันเป็นครั้งแรกเพื่อสร้าง Si (NH2) 4 และ HCl จากนั้น Si (NH2) 4 จะถูก pyrolyzed เพื่อให้ได้ผงซิลิกอนไนไตรด์
สูตรทางเคมีของมันคือ SICL4 + 4NH3 → SI (NH2) 4 + 4HCl, 3SI (NH2) 4 （ความร้อน) → SI3N4 + 8NH3
※ วิธีการลดคาร์บอนเทอร์เฟอร์
มันเป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปในการเตรียมผงซิลิกอนไนไตรด์ หลักการพื้นฐานคือการใช้คาร์บอนเพื่อลดผงซิลิกอนไดออกไซด์ในสภาพแวดล้อมไนโตรเจนอุณหภูมิสูงเพื่อเตรียมผงซิลิกอนไนไตรด์
สูตรทางเคมีของมันคือ: 3SIO2 (S) + 6C (S) + 2N2 (G) = SI3N4 (S) + 6CO (G)
※ วิธีโซลเจล
นี่เป็นกระบวนการขั้นสูงสำหรับการผลิตผงซิลิกอนไนไตรด์ วิธี Sol-Gel ใช้แหล่งซิลิคอนที่ใช้งานอยู่สูงเป็นสารตั้งต้นซึ่งผสมในเฟสของเหลวเพื่อสร้างโซล จากนั้นผงซิลิคอนไนไตรด์นาโนจะเตรียมโดยการอบแห้งและเผา วิธีการผลิตนี้ส่งผลให้ผงซิลิกอนไนไตรด์คุณภาพสูงและสม่ำเสมอ
※ วิธีการเตรียมตนเอง
วิธีการสังเคราะห์นี้จุดไฟผงผสมอย่างสม่ำเสมอกับผงซิลิกอนและซิลิกอนไนไตรด์ผ่านแหล่งความร้อนภายนอก มันใช้ความร้อนที่ปล่อยออกมาโดยปฏิกิริยาของพวกเขาเพื่อสังเคราะห์เพิ่มเติม
วิธีการสังเคราะห์ข้างต้นมีข้อดีและข้อเสียและในการใช้งานจริงตัวเลือกสุดท้ายจะต้องขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะของประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์และค่าใช้จ่าย
โครงสร้างผลึกเซรามิก SI3N4
เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์ส่วนใหญ่รวมถึงα-SI3N4 (อัลฟ่าซิลิกอนไนไตรด์), β-SI3N4 (เบต้าซิลิคอนไนไตรด์) และγ-SI3N4 ทั่วไป.
โครงสร้างผลึกซิลิกอนไนไตรด์
ด้วยการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเฟสผลึกของα-SI3N4 จะถูกแปลงเป็นβ-SI3N4 ที่ 1400 ° C ~ 1800 ° C แต่การเปลี่ยนแปลงนี้กลับไม่ได้ ดังนั้นการเกิดขึ้นของการเปลี่ยนแปลงเฟสจะเป็นประโยชน์ต่อการเกิดα-SI3N4 ในกระบวนการใช้อุณหภูมิสูง ในการเปรียบเทียบβ-SI3N4 เป็นวัสดุเซรามิกที่มีความเสถียรในผลึกในอุณหพลศาสตร์
วิธีการเตรียมเซรามิก SI3N4
ตามวิธีการเผาที่แตกต่างกันมันสามารถแบ่งออกเป็นซิลิกอนไนไตรด์ความดันแก๊ส
ซิลิกอนไนไตรด์ซิลิกอนไนไตรด์, ซิลิกอนไนไตรด์ซิลิกอนซิลิกอนซิลิกอนซิลิกอนและซิลิกอนไนไตรด์ เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์ชนิดต่าง ๆ มีลักษณะทางสัณฐานวิทยาที่แตกต่างกัน
สัณฐานวิทยาความพรุนและสัณฐานวิทยาของรูขุมขนดังนั้นคุณสมบัติของพวกเขาจึงแตกต่างกันมาก
※ ซิลิกอนไนไตรด์ปฏิกิริยาที่ถูกยึดติด
ผงซิลิกอนไนไตรด์ถูกหล่อขึ้นรูปเป็นสีเขียวเป็นครั้งแรกที่สอดคล้องกับรูปร่างของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปและจากนั้นใช้งานล่วงหน้าในเตาหลอมไนโตรเจน บิลเล็ตสีเขียวที่ติดเชื้อล่วงหน้ามีความแข็งแรงเฉพาะซึ่งช่วยให้สามารถกลึงได้ เนื่องจากการหดตัวของวัสดุซิลิกอนไนไตรด์นั้นน้อยที่สุด (<0.11%) ช่องว่างที่มีการกลึงจะถูกเผาอย่างสมบูรณ์เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีโครงสร้างที่ซับซ้อนและขนาดที่ค่อนข้างแม่นยำ การเผาปฏิกิริยาเป็นวิธีที่ใช้กันมากที่สุดในการเตรียมเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์
※ การเผาผลาญแรงดัน
วิธีการเผาแบบแรงดันไม่ได้ดำเนินการในบรรยากาศไนโตรเจนที่ 1700 ° C ~ 1800 ° C ที่ความดันบรรยากาศ เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์หนาแน่นจัดทำขึ้นโดยใช้การสลายตัว
ปฏิกิริยาของผงซิลิกอนไนไตรด์ที่อุณหภูมิสูง เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์ที่เตรียมโดยวิธีนี้มีความแข็งแรงเชิงกลสูง
※ ความดันแก๊สซิลิกอนไนไตรด์
การเผาด้วยลมโดยทั่วไปจะดำเนินการที่อุณหภูมิประมาณ 2,000 ° C, 1 ~ 10mpa ผงซิลิคอนไนไตรด์จะถูกเพิ่มเข้าไปในสารเติมแต่งที่อุณหภูมิสูงเช่น MGO และ Y2O3 เพื่อส่งเสริมการเจริญเติบโตของเม็ดซิลิคอนไนไตรด์และผลิตภัณฑ์เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่มีความบริสุทธิ์มากกว่า 99%
※ ซิลิคอนไนไตรด์กดร้อน
วิธีการเผาไหม้แบบกดร้อนนั้นเกี่ยวข้องกับการเพิ่ม MGO, AL2O3 และผงซิลิกอนไนไตรด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงสูงกว่า 1600 ° C และ 1916MPA MGF2, FE2O3 และสารเติมแต่งการเผาอื่น ๆ ได้รับการเผาเพื่อให้ได้ความแข็งแรงสูงความแข็งสูงและเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์ที่มีความหนาแน่นสูง
ความคิดสุดท้าย
ด้วยการสำรวจและการวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกและคุณสมบัติของวัสดุเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์โดยเฉพาะอย่างยิ่งการปรับปรุงเทคโนโลยีการเตรียมผงซิลิคอนไนไตรด์และการถือกำเนิดของอุปกรณ์ขนาดใหญ่ อุตสาหกรรมที่ต้องการและมีแอพพลิเคชั่นที่ครอบคลุมมากขึ้น