Popis deviatich hlavných vlastností produktov materiálov z nitridu kremíka

Deväť hlavných vlastností produktu materiálov z nitridu kremíka

1. Zloženie a štruktúra

Molekulový vzorec nitridu kremíka je Si ₃ N ₄ , čo je zlúčenina s kovalentnou väzbou. Keramika z nitridu kremíka sú polykryštalické materiály a ich kryštálová štruktúra patrí do hexagonálneho systému. Všeobecne sa delí na dve kryštálové orientácie, α a β, pričom obe sú zložené z [SiN ₄ ] ⁴ - štvorsten. p-Si ₃ N ₄ má vysokú symetriu a malý molárny objem. Ide o termodynamicky stabilnú fázu pri relatívnej teplote, kým α-Si ₃ N ₄ je pomerne ľahko dynamicky formovateľný. Pri vysokých teplotách (1400℃～1800℃) fáza α prejde fázovou zmenou, aby sa stala typom β. Táto zmena fázy je nevratná, takže fáza α vedie k spekaniu.

2. Vzhľad

Nitrid kremíka získaný z rôznych kryštálových fáz má rôzny vzhľad. a-Si ₃ N ₄ je biela alebo sivobiela voľná vlna alebo ihlovitá a β-"Si ₃ N ₄ má tmavšiu farbu a javí sa ako hustý zrnitý mnohosten alebo krátky hranol. Fúzy keramiky z nitridu kremíka sú priehľadné alebo priesvitné a ich vzhľad je sivý, modrošedý až šedočierny, ktorý sa mení s hustotou a relatívnym pomerom a má aj iné farby v dôsledku prísad. Povrch keramiky z nitridu kremíka má po vyleštení kovový lesk.

3. Hustota a špecifická hmotnosť

Teoretická hustota nitridu kremíka je 3100 ± 10 kg/m ³ . Skutočne nameraná skutočná špecifická hmotnosť α-Si ₃ N ₄ je 3184 kg/m ³ a skutočnú špecifickú hmotnosť β-Si ₃ N ₄ je 3187 kg/m ³ . Sypná hustota keramiky z nitridu kremíka sa značne líši v závislosti od procesu, vo všeobecnosti viac ako 80 % teoretickej hustoty, v rozmedzí od 2200 do 3200 kg/m ³ . Hlavným dôvodom rozdielu v hustote je pórovitosť. Pórovitosť reakčne spekaného nitridu kremíka je vo všeobecnosti okolo 20 % a hustota je 2200 až 2600 kg/m ³ , zatiaľ čo pórovitosť nitridu kremíka lisovaného za tepla je pod 5% a hustota je 3000 až 3200 kg/m ³ .V porovnaní s inými materiálmi s podobným použitím má nielen nižšiu hustotu ako všetky vysokoteplotné zliatiny, ale aj jednu z najnižších hustot medzi vysokoteplotnou konštrukčnou keramikou.

4. Elektrická izolácia

Keramiku z nitridu kremíka možno použiť ako vysokoteplotné izolačné materiály a ukazovatele ich výkonu závisia hlavne od spôsobu syntézy a čistoty. Nenitridovaný kremík v materiáli, ako aj nečistoty, ako sú alkalické kovy, kovy alkalických zemín, železo, titán, nikel atď. vnesené počas procesu prípravy, zhoršia elektrické vlastnosti keramiky z nitridu kremíka. Vo všeobecnosti je špecifický odpor keramiky z nitridu kremíka v suchom médiu pri izbovej teplote 1015 ~ 1016 ohmov a dielektrická konštanta je 9,4 ~ 9,5. Pri vysokých teplotách si keramika z nitridu kremíka stále zachováva relatívne vysokú hodnotu špecifického odporu. So zlepšením procesných podmienok môže nitrid kremíka vstúpiť do radov bežne používaných dielektrík.

V. Tepelné vlastnosti

Koeficient tepelnej rozťažnosti spekaného nitridu kremíka je nízky, čo je 2,53 × 10-6/℃, a tepelná vodivosť je 18,42 W/m·K. Má dobrú odolnosť proti tepelným šokom, na druhom mieste za kremeňom a mikrokryštalickým sklom. Podľa experimentálnych správ bola reakčne sintrovaná vzorka nitridu kremíka s hustotou 2500 kg/m ³ bol ochladený z 1200 ℃ na 20 ℃ a po tisícoch tepelných cyklov nepraskol. Keramika z nitridu kremíka má dobrú tepelnú stabilitu a môže sa používať dlhodobo pri vysokých teplotách. Teplota použitia v oxidačnej atmosfére môže dosiahnuť 1400 ℃ a teplota použitia v neutrálnej alebo redukčnej atmosfére môže dosiahnuť 1850 ℃.

VI. Mechanické vlastnosti

Nitrid kremíka má vysokú mechanickú pevnosť. Pevnosť v ohybe všeobecných výrobkov lisovaných za tepla je 500 ~ 700 MPa a vysoká pevnosť môže dosiahnuť 1 000 ~ 1 200 MPa; pevnosť v ohybe po reakčnom spekaní je 200 MPa a vysoká pevnosť môže dosiahnuť 300 ~ 400 MPa. Hoci pevnosť reakčne spekaných produktov pri izbovej teplote nie je vysoká, jej pevnosť neklesá pri vysokých teplotách 1200 ~ 1350 ℃. Nitrid kremíka má nízke tečenie pri vysokej teplote. Napríklad zaťaženie reakčne spekaného nitridu kremíka pri 1200 ℃ je 24 MPa a deformácia je 0,5% po 1000 hodinách.

VII. Koeficient trenia a samomaznosť

Koeficient trenia keramiky z nitridu kremíka je malý a zvýšenie koeficientu trenia je tiež malé za podmienok vysokej teploty a vysokej rýchlosti, čo môže zabezpečiť normálnu prevádzku mechanizmu. Toto je významná výhoda keramiky z nitridu kremíka. Keď sa keramika z nitridu kremíka začne opotrebovávať, koeficient klzného trenia dosiahne 1,0 až 1,5. Po presnom brúsení sa koeficient trenia výrazne zníži a zostáva pod 0,5. Preto sa keramika z nitridu kremíka považuje za keramiku so samomaznými vlastnosťami. Na rozdiel od grafitu, nitridu bóru a mastenca, hlavný dôvod tohto samomazania spočíva vo vrstvenej štruktúre štruktúry materiálu. Pod tlakom sa trecia plocha mierne rozloží a vytvorí tenký vzduchový film, ktorý znižuje klzný odpor medzi trecími plochami a zvyšuje hladkosť trecej plochy. Týmto spôsobom, čím väčšie je trenie, tým menší je odpor a opotrebenie je obzvlášť malé. Po nepretržitom trení má materiál tendenciu postupne zvyšovať svoj koeficient trenia v dôsledku opotrebovania povrchu alebo mäknutia v dôsledku zvýšenia teploty.

VIII. Obrobiteľnosť

Keramiku z nitridu kremíka možno opracovať do požadovaného tvaru, presnosti a povrchovej úpravy.

IX. Chemická stabilita

Nitrid kremíka má dobré chemické vlastnosti a môže odolávať korózii zo všetkých anorganických kyselín okrem kyseliny fluorovodíkovej a roztoku hydroxidu sodného menej ako 25%. Jeho teplota odolnosti voči oxidácii môže dosiahnuť 1400 ℃ a teplota jeho použitia v redukčnej atmosfére môže dosiahnuť 1870 ℃. Na kovoch (najmä tekutom hliníku) nezmáča a na nekovoch ešte viac.

Z vyššie uvedených fyzikálnych a chemických vlastností keramiky z nitridu kremíka je zrejmé, že dobrý výkon keramiky z nitridu kremíka má špeciálnu aplikačnú hodnotu pre pracovné prostredie s vysokou teplotou, vysokou rýchlosťou a silnými korozívnymi médiami, s ktorými sa často stretávame v modernej technológii. Jeho výnimočné výhody sú:

Má nasledujúce body:

(1) Vysoká mechanická pevnosť a tvrdosť blízka korundu. Pevnosť v ohybe za tepla lisovaného nitridu kremíka pri izbovej teplote môže byť až 780-980 MPa, niektoré sú dokonca vyššie ako legovaná oceľ a pevnosť môže byť udržiavaná až do 1200 ℃ bez degradácie.

(2) Mechanické samomazanie, nízky koeficient povrchového trenia, odolnosť proti opotrebovaniu, vysoký modul pružnosti a odolnosť voči vysokej teplote.

(3) Nízky koeficient tepelnej rozťažnosti, vysoká tepelná vodivosť a dobrá odolnosť proti tepelným šokom.

(4) Nízka hustota a nízka špecifická hmotnosť.

(5) Odolnosť proti korózii a oxidácii.

(6) Dobrá elektrická izolácia.