Descrierea celor nouă performanțe majore ale materialelor cu nitrură de siliciu

Nouă caracteristici majore ale produselor din nitrură de siliciu

1. Compoziție și structură

Formula moleculară a nitrurii de siliciu este Si ₃ N ₄ , care este un compus cu legătură covalentă. Ceramica cu nitrură de siliciu este materiale policristaline, iar structura lor cristalină aparține sistemului hexagonal. În general împărțit în două orientări de cristal, α și β, ambele fiind compuse din [SiN ₄ ] ⁴ -tetraedru. β-Si ₃ N ₄ are simetrie mare și volum molar mic. Este o fază stabilă termodinamic la temperatură relativă, în timp ce α-Si ₃ N ₄ este relativ ușor de format dinamic. La temperaturi ridicate (1400℃~1800℃), faza α va suferi o schimbare de fază pentru a deveni de tip β. Această schimbare de fază este ireversibilă, deci faza α este favorabilă sinterizării.

2. Aspectul

Nitrura de siliciu obținută din diferite faze cristaline are înfățișări diferite. α-Si ₃ N ₄ este alb sau alb cenușiu lână liberă sau ca un ac și β-"Si ₃ N ₄ este mai închis la culoare și apare ca poliedru granular dens sau prismă scurtă. Mustatile ceramicii cu nitrura de siliciu sunt transparente sau translucide, iar aspectul este gri, albastru-gri pana la gri-negru, care variaza in functie de densitate si raportul relativ, si prezinta si alte culori datorita aditivilor. Suprafața ceramicii cu nitrură de siliciu are un luciu metalic după lustruire.

3. Densitatea și greutatea specifică

Densitatea teoretică a nitrurii de siliciu este de 3100±10kg/m ³ . Greutatea specifică reală măsurată reală a α-Si ₃ N ₄ este de 3184 kg/m ³ , și adevărata greutate specifică a β-Si ₃ N ₄ este de 3187 kg/m ³ . Densitatea în vrac a ceramicii cu nitrură de siliciu variază foarte mult în funcție de proces, în general mai mult de 80% din densitatea teoretică, variind de la 2200 la 3200 kg/m ³ . Principalul motiv pentru diferența de densitate este porozitatea. Porozitatea nitrurii de siliciu sinterizate prin reacție este în general de aproximativ 20%, iar densitatea este de 2200 până la 2600 kg/m ³ , în timp ce porozitatea nitrurii de siliciu presată la cald este sub 5%, iar densitatea este de 3000 până la 3200 kg/m ³ .În comparație cu alte materiale cu utilizări similare, nu numai că are o densitate mai mică decât toate aliajele de temperatură înaltă, ci și unul dintre cele cu densitate scăzută dintre ceramica structurală la temperatură înaltă.

4. Izolație electrică

Ceramica cu nitrură de siliciu poate fi utilizată ca materiale izolatoare la temperaturi înalte, iar indicatorii de performanță depind în principal de metoda de sinteză și de puritate. Siliciul nenitrurat din material, precum și impuritățile precum metale alcaline, metale alcalino-pământoase, fier, titan, nichel etc. introduse în timpul procesului de preparare, vor deteriora proprietățile electrice ale ceramicii cu nitrură de siliciu. În general, rezistența specifică a ceramicii cu nitrură de siliciu în mediu uscat la temperatura camerei este de 1015 ~ 1016 ohmi, iar constanta dielectrică este de 9,4 ~ 9,5. La temperaturi ridicate, ceramica cu nitrură de siliciu păstrează încă o valoare relativ ridicată a rezistenței specifice. Odată cu îmbunătățirea condițiilor de proces, nitrura de siliciu poate intra în rândurile dielectricilor utilizați în mod obișnuit.

V. Proprietăţi termice

Coeficientul de dilatare termică al nitrurii de siliciu sinterizată este scăzut, care este de 2,53 × 10-6/℃, iar conductivitatea termică este de 18,42 W/m·K. Are o rezistență bună la șocuri termice, pe locul doi după cuarț și sticla microcristalină. Conform rapoartelor experimentale, o probă de nitrură de siliciu sinterizată prin reacție cu o densitate de 2500 kg/m ³ a fost răcit de la 1200℃ la 20℃ și nu s-a crăpat după mii de cicluri termice. Ceramica cu nitrură de siliciu are o bună stabilitate termică și poate fi folosită mult timp la temperaturi ridicate. Temperatura de utilizare într-o atmosferă oxidantă poate ajunge la 1400 ℃, iar temperatura de utilizare într-o atmosferă neutră sau reducătoare poate ajunge la 1850 ℃.

VI. Proprietăți mecanice

Nitrura de siliciu are o rezistență mecanică ridicată. Rezistența la încovoiere a produselor generale presate la cald este de 500 ~ 700 MPa, iar rezistența ridicată poate ajunge la 1000 ~ 1200 MPa; rezistența la încovoiere după sinterizarea reacției este de 200MPa, iar rezistența ridicată poate ajunge la 300~400MPa. Deși rezistența la temperatura camerei a produselor sinterizate prin reacție nu este ridicată, rezistența sa nu scade la temperaturi ridicate de 1200 ~ 1350 ℃. Nitrura de siliciu are fluaj scăzut la temperatură ridicată. De exemplu, sarcina de nitrură de siliciu sinterizată prin reacție la 1200 ℃ este de 24MPa, iar deformarea este de 0,5% după 1000h.

VII. Coeficient de frecare și auto-ungere

Coeficientul de frecare al ceramicii cu nitrură de siliciu este mic, iar creșterea coeficientului de frecare este, de asemenea, mică în condiții de temperatură ridicată și viteză mare, ceea ce poate asigura funcționarea normală a mecanismului. Acesta este un avantaj proeminent al ceramicii cu nitrură de siliciu. Când ceramica cu nitrură de siliciu începe să se uzeze, coeficientul de frecare de alunecare ajunge la 1,0 până la 1,5. După șlefuirea de precizie, coeficientul de frecare este mult redus și rămâne sub 0,5. Prin urmare, ceramica cu nitrură de siliciu este considerată a avea proprietăți de auto-lubrifiere. Spre deosebire de grafit, nitrură de bor și talc, principalul motiv pentru această auto-lubrificare constă în structura stratificată a structurii materialului. Sub presiune, suprafața de frecare este ușor descompusă pentru a forma o peliculă subțire de aer, care reduce rezistența la alunecare dintre suprafețele de frecare și crește netezimea suprafeței de frecare. În acest fel, cu cât frecarea este mai mare, cu atât rezistența este mai mică, iar uzura este deosebit de mică. După frecare continuă, materialul tinde să-și crească treptat coeficientul de frecare din cauza uzurii suprafeței sau înmuierea datorită creșterii temperaturii.

VIII. Prelucrabilitate

Ceramica cu nitrură de siliciu poate fi prelucrată la forma, precizia și finisajul de suprafață dorite.

IX. Stabilitate chimică

Nitrura de siliciu are proprietăți chimice bune și poate rezista la coroziune de la toți acizii anorganici, cu excepția acidului fluorhidric și a soluției de hidroxid de sodiu, mai puțin de 25%. Temperatura de rezistență la oxidare poate ajunge la 1400℃, iar temperatura de utilizare într-o atmosferă reducătoare poate ajunge la 1870℃. Nu se uda pe metale (in special pe aluminiu lichid) si cu atat mai mult pe nemetale.

Din proprietățile fizice și chimice de mai sus ale ceramicii cu nitrură de siliciu, se poate observa că performanța bună a ceramicii cu nitrură de siliciu are o valoare specială de aplicare pentru mediul de lucru cu temperatură ridicată, viteză mare și medii corozive puternice adesea întâlnite în tehnologia modernă. Avantajele sale remarcabile sunt:

Are următoarele puncte:

(1) Rezistență mecanică ridicată și duritate aproape de corindon. Rezistența la încovoiere la temperatura camerei a nitrurii de siliciu presată la cald poate fi de până la 780-980MPa, unele sunt chiar mai mari decât oțelul aliat, iar rezistența poate fi menținută până la 1200℃ fără degradare.

(2) Auto-ungere mecanică, coeficient scăzut de frecare a suprafeței, rezistență la uzură, modul elastic ridicat și rezistență la temperatură ridicată.

(3) Coeficient scăzut de dilatare termică, conductivitate termică ridicată și rezistență bună la șocuri termice.

(4) Densitate scăzută și greutate specifică scăzută.

(5) Rezistență la coroziune și rezistență la oxidare.

(6) Bună izolare electrică.