Descrizione delle nove principali prestazioni dei prodotti in nitruro di silicio

Nove principali caratteristiche del prodotto dei materiali in nitruro di silicio

1. Composizione e struttura

La formula molecolare del nitruro di silicio è Si ₃ N ₄ , che è un composto di legame covalente. Le ceramiche al nitruro di silicio sono materiali policristallini e la loro struttura cristallina appartiene al sistema esagonale. Generalmente diviso in due orientamenti cristallini, α e β, entrambi composti da [SiN ₄ ] ⁴ -tetraedro. β-Si ₃ N ₄ ha un'elevata simmetria e un piccolo volume molare. È una fase termodinamicamente stabile a temperatura relativa, mentre α-Si ₃ N ₄ è relativamente facile da formare dinamicamente. A temperature elevate (1400℃～1800℃), la fase α subirà un cambiamento di fase per diventare di tipo β. Questo cambiamento di fase è irreversibile, quindi la fase α favorisce la sinterizzazione.

2. Aspetto

Il nitruro di silicio ottenuto da diverse fasi cristalline ha aspetti diversi. α-Si ₃ N ₄ è lana sciolta bianca o bianco grigiastra o aghiforme, e β-"Si ₃ N ₄ è di colore più scuro e appare come un poliedro granulare denso o un prisma corto. I baffi della ceramica al nitruro di silicio sono trasparenti o traslucidi e l'aspetto è grigio, blu-grigio fino a grigio-nero, che varia con la densità e il rapporto relativo e presenta anche altri colori dovuti agli additivi. La superficie della ceramica al nitruro di silicio presenta una lucentezza metallica dopo la lucidatura.

3. Densità e peso specifico

La densità teorica del nitruro di silicio è 3100±10 kg/m ³ . Il vero peso specifico misurato effettivo di α-Si ₃ N ₄ è 3184 kg/m ³ e il vero peso specifico del β-Si ₃ N ₄ è 3187 kg/m ³ . La densità apparente delle ceramiche al nitruro di silicio varia notevolmente a seconda del processo, generalmente più dell'80% della densità teorica, variando da 2200 a 3200 kg/m ³ . La ragione principale della differenza di densità è la porosità. La porosità del nitruro di silicio sinterizzato per reazione è generalmente intorno al 20% e la densità è compresa tra 2200 e 2600 kg/m ³ , mentre la porosità del nitruro di silicio pressato a caldo è inferiore al 5% e la densità è compresa tra 3000 e 3200 kg/m ³ Rispetto ad altri materiali con usi simili, non solo ha una densità inferiore rispetto a tutte le leghe ad alta temperatura, ma è anche una delle leghe a densità più bassa tra le ceramiche strutturali ad alta temperatura.

4. Isolamento elettrico

Le ceramiche al nitruro di silicio possono essere utilizzate come materiali isolanti ad alta temperatura e i loro indicatori di prestazione dipendono principalmente dal metodo di sintesi e dalla purezza. Il silicio non nitrurato presente nel materiale, nonché le impurità quali metalli alcalini, metalli alcalino terrosi, ferro, titanio, nichel, ecc. introdotte durante il processo di preparazione, deteriorano le proprietà elettriche della ceramica al nitruro di silicio. Generalmente, la resistenza specifica delle ceramiche al nitruro di silicio nel mezzo secco a temperatura ambiente è 1015~1016 ohm e la costante dielettrica è 9,4~9,5. A temperature elevate, le ceramiche al nitruro di silicio mantengono ancora un valore di resistenza specifica relativamente elevato. Con il miglioramento delle condizioni di processo, il nitruro di silicio può entrare nella classifica dei dielettrici comunemente utilizzati.

V. Proprietà termiche

Il coefficiente di dilatazione termica del nitruro di silicio sinterizzato è basso, ovvero 2,53×10-6/℃, e la conduttività termica è 18,42 W/m·K. Ha una buona resistenza agli shock termici, seconda solo al quarzo e al vetro microcristallino. Secondo i rapporti sperimentali, un campione di nitruro di silicio sinterizzato per reazione con una densità di 2500 kg/m ³ è stato raffreddato da 1200 ℃ a 20 ℃ e non si è rotto dopo migliaia di cicli termici. Le ceramiche al nitruro di silicio hanno una buona stabilità termica e possono essere utilizzate a lungo ad alte temperature. La temperatura di utilizzo in un'atmosfera ossidante può raggiungere i 1400 ℃, mentre la temperatura di utilizzo in un'atmosfera neutra o riducente può raggiungere i 1850 ℃.

VI. Proprietà meccaniche

Il nitruro di silicio ha un'elevata resistenza meccanica. La resistenza alla flessione dei prodotti generici pressati a caldo è 500~700MPa e l'elevata resistenza può raggiungere 1000~1200MPa; la resistenza alla flessione dopo la sinterizzazione della reazione è 200 MPa e l'elevata resistenza può raggiungere 300 ~ 400 MPa. Sebbene la resistenza a temperatura ambiente dei prodotti sinterizzati per reazione non sia elevata, la sua resistenza non diminuisce alle alte temperature di 1200~1350℃. Il nitruro di silicio ha un basso creep alle alte temperature. Ad esempio, il carico del nitruro di silicio sinterizzato per reazione a 1200 ℃ è 24 MPa e la deformazione è dello 0,5% dopo 1000 ore.

VII. Coefficiente di attrito e autolubrificazione

Il coefficiente di attrito della ceramica al nitruro di silicio è piccolo e anche l'aumento del coefficiente di attrito è piccolo in condizioni di alta temperatura e alta velocità, il che può garantire il normale funzionamento del meccanismo. Questo è un vantaggio importante delle ceramiche al nitruro di silicio. Quando la ceramica al nitruro di silicio inizia a usurarsi, il coefficiente di attrito radente raggiunge un valore compreso tra 1,0 e 1,5. Dopo la rettifica di precisione, il coefficiente di attrito si riduce notevolmente e rimane inferiore a 0,5. Pertanto, si ritiene che le ceramiche al nitruro di silicio abbiano proprietà autolubrificanti. A differenza della grafite, del nitruro di boro e del talco, la ragione principale di questa autolubrificazione risiede nella struttura a strati della struttura del materiale. Sotto pressione, la superficie di attrito si decompone leggermente per formare un sottile film d'aria, che riduce la resistenza allo scorrimento tra le superfici di attrito e aumenta la levigatezza della superficie di attrito. In questo modo maggiore è l'attrito minore è la resistenza e l'usura è particolarmente ridotta. Dopo un attrito continuo, il materiale tende ad aumentare gradualmente il proprio coefficiente di attrito a causa dell'usura superficiale o del rammollimento dovuto all'aumento della temperatura.

VIII. Lavorabilità

La ceramica al nitruro di silicio può essere lavorata fino alla forma, alla precisione e alla finitura superficiale desiderate.

IX. Stabilità chimica

Il nitruro di silicio ha buone proprietà chimiche e può resistere alla corrosione di tutti gli acidi inorganici tranne l'acido fluoridrico e la soluzione di idrossido di sodio inferiore al 25%. La sua temperatura di resistenza all'ossidazione può raggiungere i 1400 ℃ e la sua temperatura di utilizzo in un'atmosfera riducente può raggiungere i 1870 ℃. Non si bagna sui metalli (soprattutto l'alluminio liquido) e lo è ancora di più sui non metalli.

Dalle proprietà fisiche e chimiche sopra indicate delle ceramiche al nitruro di silicio, si può vedere che le buone prestazioni delle ceramiche al nitruro di silicio hanno un valore applicativo speciale per l'ambiente di lavoro ad alta temperatura, alta velocità e mezzi fortemente corrosivi spesso incontrati nella tecnologia moderna. I suoi eccezionali vantaggi sono:

Ha i seguenti punti:

(1) Elevata resistenza meccanica e durezza prossima al corindone. La resistenza alla flessione a temperatura ambiente del nitruro di silicio pressato a caldo può raggiungere 780-980 MPa, alcuni sono addirittura superiori a quelli dell'acciaio legato e la resistenza può essere mantenuta fino a 1200 ℃ senza degradazione.

(2) Autolubrificazione meccanica, basso coefficiente di attrito superficiale, resistenza all'usura, elevato modulo elastico e resistenza alle alte temperature.

(3) Basso coefficiente di dilatazione termica, elevata conduttività termica e buona resistenza allo shock termico.

(4) Bassa densità e basso peso specifico.

(5) Resistenza alla corrosione e resistenza all'ossidazione.

(6) Buon isolamento elettrico.