Silicon nitride là gì
Silicon nitride (SI3N4) là một hợp chất hóa học phi kim loại đa tinh thể dựa trên tổng hợp silicon và nitơ, một vật liệu gốm quan trọng quan trọng.
Gốm silicon nitride cung cấp các tính chất cơ học, nhiệt, điện và hóa học của hầu hết tất cả các loại gốm tiên tiến trong một, đặc biệt là điện trở nhiệt cực cao và sốc nhiệt Trong nhiều môi trường khắc nghiệt và đòi hỏi các ngành công nghệ cao có một loạt các ứng dụng.
Lợi thế vật chất
Tác động và khả năng chống sốc nhiệt cao không thể đánh bại
Nhiệt độ dịch vụ cao tuyệt vời đến 1300 ℃ trong không khí
※ Độ cứng vượt trội và khả năng chống mài mòn với ma sát thấp
※ Độ ổn định cường độ cơ học cao dưới nhiệt độ cao
Tăng cường lực uốn cao và độ bền gãy cao
Mệt mỏi cơ học cao và khả năng chống leo
※ Khả năng mở rộng nhiệt thấp tương tự như chip SI
Cách điện và điện môi tốt
Độ cứng và độ cứng cao cao
Mật độ thấp với trọng lượng nhẹ hơn hầu hết các kim loại
Tính ổn định hóa học tuyệt vời, chống ăn mòn và chống xói mòn
Sử dụng và ứng dụng
Điện tử: Bộ cách điện điện, thiết bị bán dẫn điện, thiết bị hiển thị quang điện, v.v.
Kỹ thuật cơ học: Công cụ cắt, vòng bi có độ chính xác cao, vòng bi con lăn, bánh xe, v.v.
Y tế: Cấy ghép nha khoa, chân giả chung, sửa chữa cột sống, cấy ghép chung, cảm biến sinh học và thiết bị chẩn đoán, hệ thống phân phối drug, công cụ vi phẫu, thiết bị y tế cấy ghép, v.v.
Vật liệu nhiệt độ cao: Vụ đánh lửa lò, ống nóng, lớp lót vòi, vòi hàn TIG, nồi nấu kim loại, v.v.
Ngành công nghiệp ô tô: Bộ phận động cơ, bộ tăng áp, hệ thống phanh, hệ thống kiểm soát khí thải, v.v.
Hàng không vũ trụ: Lưỡi dao tuabin, lớp phủ gốm, màng mỏng gốm, dụng cụ hàng không, lớp lót động cơ aero, v.v.
Các lĩnh vực khác bao gồm pin mặt trời, van, mặt niêm phong, tấm gốm, chất nền gốm tản nhiệt, chân định vị mối hàn, ống dẫn sóng nitride silicon, màng nitride silicon, v.v.
Tổng hợp nitride silicon
Silicon nitride chủ yếu bao gồm các phương pháp tổng hợp sau đây như một vật liệu gốm tổng hợp.
Phương pháp nitriding trực tiếp
Bột silica tinh khiết cao được đặt trong khí quyển nitơ và phản ứng hóa học được thực hiện ở 1300 ° C ~ 1400 ° C để thu được bột nitride silicon. Công thức hóa học của nó là 3 Si + 2n2 → Si3N4.
Phương pháp lắng đọng hóa học (CVD)
Nguyên liệu thô chính của phương pháp này là silicon tetrachloride, nitơ nguyên chất và hydro, được trộn ở 1000 ° C ~ đến 1200 ° C. Độ tinh khiết của nitriding thu được là cao. Công thức hóa học (silicon nitride CVD) của nó là 3SICL4 + 2N2 + 6H2 = SI3N4 + 12HCL
Phương pháp phân hủy nhiệt SI (NH2) 4
Silicon tetrachloride và ammoniac đầu tiên được kết hợp để tạo thành Si (NH2) 4 và HCl, và sau đó Si (NH2) 4 bị nhiệt phân để lấy bột nitride silicon.
Công thức hóa học của nó là SICL4 + 4NH3 → SI (NH2) 4 + 4HCl, 3SI (NH2) 4
Phương pháp giảm cacbonthermal
Nó là một phương pháp thường được sử dụng để chuẩn bị bột nitride silicon; Nguyên tắc cơ bản là sử dụng carbon để giảm bột silicon dioxide trong môi trường nitơ nhiệt độ cao để chuẩn bị bột nitride silicon.
Công thức hóa học của nó là: 3SIO2 (s) + 6C (s) + 2n2 (g) = Si3N4 (s) + 6CO (g)
Phương pháp sol- gel
Đây là một quá trình tiên tiến để sản xuất bột silicon nitride. Phương pháp sol-gel sử dụng nguồn silicon hoạt động cao làm tiền thân, được trộn trong pha lỏng để tạo thành một sol. Sau đó, bột nitride silicon quy mô nano được điều chế bằng cách làm khô và thiêu kết. Phương pháp sản xuất này dẫn đến bột nitride silicon đồng nhất, chất lượng cao.
Phương pháp tự mở
Phương pháp tổng hợp này đốt cháy cơ thể bột trộn đều với bột silicon và nitride silicon thông qua một nguồn sưởi ấm bên ngoài. Nó sử dụng nhiệt được giải phóng bởi phản ứng của chúng để tổng hợp hơn nữa.
Các phương pháp tổng hợp trên có ưu điểm và nhược điểm, và trong các ứng dụng thực tế, lựa chọn cuối cùng phải dựa trên các yêu cầu cụ thể về hiệu suất và chi phí sản phẩm.
Cấu trúc tinh thể gốm SI3N4
Gốm silicon nitride chủ yếu bao gồm α-SI3N4 (alpha silicon nitride), β-SI3N4 (beta silicon nitride) và γ-SI3N4 (silicon nitride hình khối) chung.
Cấu trúc tinh thể nitride silicon
Với sự gia tăng nhiệt độ, pha tinh thể của α-SI3N4 được chuyển đổi thành β-SI3N4 ở 1400 ° C ~ 1800 ° C, nhưng sự biến thái này là không thể đảo ngược. Do đó, sự xuất hiện của biến đổi pha có lợi cho sự xuất hiện của α-SI3N4 trong quá trình sử dụng nhiệt độ cao. Để so sánh, β-SI3N4 là một vật liệu gốm ổn định pha tinh thể trong nhiệt động lực học.
Phương pháp chuẩn bị gốm SI3N4
Theo các phương pháp thiêu kết khác nhau, nó có thể được chia thành nitride silicon thiêu kết áp suất khí,
Phản ứng liên kết với silicon nitride, silicon nitride không áp lực và silicon silicon bị ép nóng. Các loại gốm nitride silicon thiêu kết khác nhau có hình thái hạt khác nhau, giữa các hạt
Hình thái, độ xốp và hình thái lỗ rỗng, vì vậy tính chất của chúng rất khác nhau.
Nitride silicon thiêu kết liên kết phản ứng
Bột silicon nitride đầu tiên được đúc thành một phôi màu xanh lá cây phù hợp với hình dạng của sản phẩm hoàn chỉnh và sau đó được đốt sẵn trong lò khí nitơ. Phôi lá màu xanh lá cây có một sức mạnh cụ thể, cho phép nó được gia công. Do sự co ngót của vật liệu silicon nitride là tối thiểu (<0,11%), trống gia công hoàn toàn thiêu kết để có được một sản phẩm có cấu trúc phức tạp và kích thước tương đối chính xác. Tâm nhân phản ứng là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để chuẩn bị gốm silicon nitride.
Sintering không áp lực
Phương pháp thiêu kết không áp lực được thực hiện trong khí quyển nitơ 1700 ° C ~ 1800 ° C ở áp suất khí quyển. Các gốm nitride silicon dày đặc được điều chế bằng cách sử dụng sự phân hủy
Phản ứng của bột nitride silicon ở nhiệt độ cao. Gốm silicon nitride được điều chế bằng phương pháp này có cường độ cơ học cao.
Áp suất khí thiêu kết silicon nitride
Việc thiêu kết khí nén thường được thực hiện ở khoảng 2000 ° C, 1 ~ 10MPa. Bột silicon nitride sẽ được thêm vào các chất phụ gia thiêu kết nhiệt độ cao như MgO và Y2O3 để thúc đẩy sự phát triển của hạt silicon nitride và các sản phẩm gốm nitride silicon có độ tinh khiết lớn hơn 99% và độ bền cao.
※ Nitride silicon thiêu kết nóng bỏng
Phương pháp thiêu kết ép nóng liên quan đến việc thêm một lượng nhỏ MgO, AL2O3 và bột nitride silicon tinh khiết cao trên 1600 ° C và 1916MPa. MGF2, FE2O3 và các chất phụ gia thiêu kết khác được thiêu kết để có được độ bền cao, độ cứng cao và gốm nitride silicon mật độ cao.
Suy nghĩ cuối cùng
Với việc thăm dò và nghiên cứu thêm về cơ chế và tính chất của vật liệu gốm silicon nitride, đặc biệt là cải thiện công nghệ chuẩn bị bột nitride silicon và sự ra đời của thiết bị quy mô lớn, có thể thấy trước rằng gốm sứ silicon sẽ đóng vai trò quan trọng hơn trong đòi hỏi các ngành công nghiệp và có một loạt các ứng dụng toàn diện hơn.