Opis devet glavnih performansi proizvoda materijala od silicijevog nitrida

Devet glavnih značajki proizvoda materijala od silicijeva nitrida

1. Sastav i struktura

Molekulska formula silicijeva nitrida je Si ₃ N ₄ , koji je spoj kovalentne veze. Silicijeva nitridna keramika je polikristalni materijal, a njihova kristalna struktura pripada heksagonalnom sustavu. Općenito podijeljen u dvije kristalne orijentacije, α i β, od kojih se obje sastoje od [SiN ₄ ] ⁴ -tetraedar. β-Si ₃ N ₄ ima visoku simetriju i mali molarni volumen. To je termodinamički stabilna faza na relativnoj temperaturi, dok je α-Si ₃ N ₄ je relativno lako dinamički oblikovati. Na visokim temperaturama (1400 ℃ ~ 1800 ℃), α faza će proći faznu promjenu i postati β tip. Ova fazna promjena je nepovratna, tako da je α faza pogodna za sinterovanje.

2. Izgled

Silicijev nitrid dobiven iz različitih kristalnih faza ima različit izgled. α-Si ₃ N ₄ je bijela ili sivkasto bijela labava vuna ili igličasta, i β-"Si ₃ N ₄ je tamnije boje i izgleda kao gusti zrnati poliedar ili kratka prizma. Brkovi keramike od silicijevog nitrida su prozirni ili prozirni, a izgled je siv, plavo-siv do sivo-crn, koji varira s gustoćom i relativnim omjerom, a ima i drugih boja zbog aditiva. Površina keramike od silicijevog nitrida nakon poliranja ima metalni sjaj.

3. Gustoća i specifična težina

Teorijska gustoća silicijevog nitrida je 3100±10kg/m ³ . Stvarno izmjerena prava specifična težina α-Si ₃ N ₄ iznosi 3184kg/m ³ , i prava specifična težina β-Si ₃ N ₄ iznosi 3187kg/m ³ . Nasipna gustoća keramike od silicijevog nitrida uvelike varira ovisno o procesu, općenito više od 80% teorijske gustoće, u rasponu od 2200 do 3200 kg/m ³ . Glavni razlog razlike u gustoći je poroznost. Poroznost reakcijski sinteriranog silicijevog nitrida općenito je oko 20%, a gustoća je 2200 do 2600 kg/m ³ , dok je poroznost toplo prešanog silicijevog nitrida ispod 5%, a gustoća 3000 do 3200 kg/m ³ .U usporedbi s drugim materijalima sa sličnim namjenama, ne samo da ima nižu gustoću od svih visokotemperaturnih legura, već je i jedna od niskih gustoća među konstrukcijskom keramikom za visoke temperature.

4. Električna izolacija

Silicijeva nitridna keramika može se koristiti kao visokotemperaturni izolacijski materijal, a njihovi pokazatelji učinkovitosti uglavnom ovise o metodi sinteze i čistoći. Nenitrirani silicij u materijalu, kao i nečistoće kao što su alkalni metali, zemnoalkalijski metali, željezo, titan, nikal, itd. uvedene tijekom procesa pripreme, pogoršat će električna svojstva silicij nitridne keramike. Općenito, specifični otpor keramike silicijevog nitrida u suhom mediju na sobnoj temperaturi je 1015~1016 ohma, a dielektrična konstanta je 9,4~9,5. Na visokim temperaturama, keramika od silicijevog nitrida i dalje zadržava relativno visoku vrijednost specifičnog otpora. S poboljšanjem uvjeta procesa, silicijev nitrid može ući u red uobičajeno korištenih dielektrika.

V. Toplinska svojstva

Koeficijent toplinske ekspanzije sinteriranog silicijevog nitrida je nizak i iznosi 2,53×10-6/℃, a toplinska vodljivost je 18,42 W/m·K. Ima dobru otpornost na toplinske udare, odmah iza kvarca i mikrokristalnog stakla. Prema eksperimentalnim izvješćima, reakcijski sinterirani uzorak silicijevog nitrida gustoće od 2500 kg/m ³ je ohlađen sa 1200 ℃ na 20 ℃ i nije puknuo nakon tisuća toplinskih ciklusa. Silicij nitrid keramika ima dobru toplinsku stabilnost i može se dugo koristiti na visokim temperaturama. Temperatura uporabe u oksidirajućoj atmosferi može doseći 1400 ℃, a temperatura uporabe u neutralnoj ili redukcijskoj atmosferi može doseći 1850 ℃.

VI. Mehanička svojstva

Silicijev nitrid ima visoku mehaničku čvrstoću. Čvrstoća na savijanje općih vruće prešanih proizvoda je 500~700MPa, a visoka čvrstoća može doseći 1000~1200MPa; čvrstoća na savijanje nakon reakcijskog sinteriranja je 200MPa, a visoka čvrstoća može doseći 300~400MPa. Iako čvrstoća reakcijski sinteriranih proizvoda na sobnoj temperaturi nije visoka, njihova se čvrstoća ne smanjuje na visokim temperaturama od 1200 ~ 1350 ℃. Silicijev nitrid ima nisko puzanje pri visokim temperaturama. Na primjer, opterećenje reakcijski sinteriranog silicijevog nitrida na 1200 ℃ je 24MPa, a deformacija je 0,5% nakon 1000 sati.

VII. Koeficijent trenja i samopodmazivanje

Koeficijent trenja keramike silicijevog nitrida je mali, a povećanje koeficijenta trenja također je malo u uvjetima visoke temperature i velike brzine, što može osigurati normalan rad mehanizma. Ovo je istaknuta prednost keramike od silicijevog nitrida. Kada se keramika silicijevog nitrida počne trošiti, koeficijent trenja klizanja doseže 1,0 do 1,5. Nakon preciznog brušenja, koeficijent trenja se znatno smanjuje i ostaje ispod 0,5. Stoga se smatra da keramika od silicijevog nitrida ima samopodmazujuća svojstva. Za razliku od grafita, bor nitrida i talka, glavni razlog ovakvog samopodmazivanja leži u slojevitoj strukturi strukture materijala. Pod pritiskom se tarna površina lagano razgrađuje i formira tanki zračni film, koji smanjuje otpor klizanja između tarnih površina i povećava glatkoću tarne površine. Na taj način, što je veće trenje, to je manji otpor, a trošenje je posebno malo. Nakon kontinuiranog trenja, materijal ima tendenciju postupnog povećanja koeficijenta trenja zbog trošenja površine ili omekšavanja zbog povećanja temperature.

VIII. Obradivost

Keramika od silicijevog nitrida može se strojno obraditi do željenog oblika, preciznosti i površinske obrade.

IX. Kemijska stabilnost

Silicij nitrid ima dobra kemijska svojstva i može se oduprijeti koroziji od svih anorganskih kiselina osim fluorovodične kiseline i otopine natrijevog hidroksida manje od 25%. Njegova temperatura otpornosti na oksidaciju može doseći 1400 ℃, a temperatura upotrebe u redukcijskoj atmosferi može doseći 1870 ℃. Ne kvasi se na metalima (osobito aluminij tekućina), a još više na nemetalima.

Iz gornjih fizikalnih i kemijskih svojstava keramike od silicijevog nitrida, može se vidjeti da dobra izvedba keramike od silicijevog nitrida ima posebnu vrijednost primjene za radnu okolinu visoke temperature, velike brzine i jakih korozivnih medija koji se često susreću u modernoj tehnologiji. Njegove izuzetne prednosti su:

Ima sljedeće točke:

(1) Visoka mehanička čvrstoća i tvrdoća bliska korundu. Čvrstoća na savijanje toplo prešanog silicijevog nitrida na sobnoj temperaturi može biti čak 780-980 MPa, neke su čak i veće od legiranog čelika, a čvrstoća se može održavati do 1200 ℃ bez degradacije.

(2) Mehaničko samopodmazivanje, nizak koeficijent površinskog trenja, otpornost na trošenje, visok modul elastičnosti i otpornost na visoke temperature.

(3) Mali koeficijent toplinske ekspanzije, visoka toplinska vodljivost i dobra otpornost na toplinski udar.

(4) Niska gustoća i mala specifična težina.

(5) Otpornost na koroziju i oksidaciju.

(6) Dobra električna izolacija.