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氮化硅材料的性能特点及技术概况


来源:上海钜晶精密仪器制造有限公司  作者:siomm  时间:2017-07-17

产品简介

一、产品性质

01

组成和结构

氮化硅分子式为Si3N4,属于共价键结合的化合物,氮化硅陶瓷属多晶材料,晶体结构属六方晶系,一般分为α、β两种晶向,均由[SiN4]4- 四面体构成,其中β- Si3N4对称性较高,摩尔体积较小,在温度上是热力学稳定相,而α- Si3N4在动力学上较容易生成,高温(1400℃~1800℃)时,α相会发生相变,成为β型,这种相变是不可逆的,故α相有利于烧结。

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02

外观

不同晶相得氮化硅外观是不同的,α- Si3N4呈白色或灰白色疏松羊毛状或针状体,β- Si3N4则颜色较深,呈致密的颗粒状多面体或短棱柱体,氮化硅晶须是透明或半透明的,氮化硅陶瓷的外观呈灰色、蓝灰到灰黑色,因密度、相比例的不同而异,也有因添加剂呈其他色泽。氮化硅陶瓷表面经抛光后,有金属光泽。

03

密度和比重

氮化硅的理论密度为3100±10kg/m3,实际测得α- Si3N4的真比重为3184 kg/m3,β- Si3N4的真比重为3187 kg/m3。氮化硅陶瓷的体积密度因工艺而变化较大,一般为理论密度的80%以上,大约在2200~3200 kg/m3之间,气孔率的高低是密度不同的主要原因,反应烧结氮化硅的气孔率一般在20%左右,密度是2200~2600 kg/m3,而热压氮化硅气孔率在5%以下,密度达3000~3200 kg/m3,与用途相近的其他材料比较,不仅密度低于所有高温合金,而且在高温结构陶瓷中也是密度较低的一种。

04

电绝缘性

氮化硅陶瓷可做高温绝缘材料,其性能指标的优劣主要取决于合成方式与纯度,材料内未被氮化的游离硅,在制备中带入的碱金属、碱土金属、铁、钛、镍等杂志,均可恶化氮化硅陶瓷的电性能。一般氮化硅陶瓷在室温下、在干燥介质中的比电阻为1015~1016欧姆,介电常数是9.4~9.5,在高温下,氮化硅陶瓷仍保持较高的比电阻值,随着工艺条件的提高,氮化硅可以进入常用电介质行列。

05

热学性质

烧结氮化硅 ,其热膨胀系数较低 ,为 2. 53×10- 6/℃,导热率为 18.42 W/ m ·K ,因此它具有优良的抗热震性能 ,仅次于石英和微晶玻璃 ,有实验报告说明密度为2500 kg/m3的反应烧结氮化硅试样由1200 ℃冷却至20℃热循环上千次,仍然不破裂,氮化硅陶瓷的热稳定性好,可在高温中长期使用。在氧化气氛中可使用到1400℃,在中性或还原气氛中一直可使用到1850℃。

06

机械性质

氮化硅具有较高的机械强度,一般热压制品的抗折强度500~700MPa ,高的可达1000~1200MPa;反应烧结后的抗折强度200MPa ,高的可300~400MPa。虽然反应烧结制品的室温强度不高, 但在1200~1350℃的高温下 ,其强度仍不下降。氮化硅的高温蠕变小,例如,反应烧结的氮化硅在1200℃时荷重为24MPa,1000h后其形变为0.5 %。

07

摩擦系数与自润滑性

氮化硅陶瓷摩擦系数较小,在高温高速的条件下,摩擦系数提高幅度也较小,因此能保证机构的正常运行,这是它一个突出的优点,氮化硅陶瓷开始对磨时滑动摩擦系数达到1.0至1.5,经精密磨合后,摩擦系数就大大下降,保持在0.5以下,所以氮化硅陶瓷被认为是具有自润滑性的材料。这种自润滑性产生的主要原因,不同于石墨,氮化硼,滑石等在于材料组织的鳞片层状结构。它是在压力作用下,摩擦表面微量分解形成薄薄得气膜,从而使摩擦面之间的滑动阻力减少,摩擦面得光洁度增加。这样越摩擦,阻力越小,磨损量也特别小,而大多数材料在不断摩擦后,因表面磨损或温度升高软化,摩擦系数往往逐渐增大。

08

可机械加工性

氮化硅陶瓷可以通过机械加工的方式来达到所要求的形状和精度,表面光洁度。

09

化学稳定性

氮化硅具有优良的化学性能 ,能耐除氢氟酸以外的所有无机酸和25%以下的氢氧化钠溶液腐蚀。它耐氧化的温度可达1400℃,在还原气氛中最高可使用到1870℃,对金属(特别是AL液)尤其对非金属不润湿。

从以上氮化硅陶瓷的物理化学性质可知,氮化硅陶瓷的优异性能对于现代技术经常遇到的高温、高速、强腐蚀介质的工作环境,具有特殊的使用价值。它突出的优点是:

具有以下优点:

(1)机械强度高,硬度接近于刚玉。热压氮化硅的室温抗弯强度可以高达780—980MPa,有的甚至更高,能与合金钢相比,而且强度可以一直维持到1200 ℃不下降。

(2)机械自润滑,表面摩擦系数小、耐磨损、弹性模量大,耐高温。

(3)热膨胀系数小,导热系数大,抗热震性好。

(4)密度低,比重小。

(5) 耐腐蚀,抗氧化。

(6) 电绝缘性好。

二、产品用途

(1)在冶金工业上制作坩埚,马弗炉炉膛,燃烧嘴,发热体夹具,铸模,铝业导管,热电偶保护套管,铝电解槽衬里等热工设备上的部件。

(2)在机械制作工业制作高速车刀,轴承,金属部件热处理的支承件,转子发动机刮片,燃气轮机的导向叶片和涡轮叶片。

(3)在化学工业上用作球阀,泵体,密封环,过滤器,热交换器部件以及固定化触媒载体,燃烧舟,蒸发皿。

(4)在半导体、航空、原子能等工业用于制造开关电路基片,薄膜电容器,承高温或温度巨变的电绝缘体,雷达电线罩,导弹尾喷管,原子反应堆中的支承件和隔离件,核裂变物质的载体。

(5)在医药工业中可做人工关节。

技术概况

制备氮化硅陶瓷制品的工艺流程一般由原料处理、粉体合成、粉料处理、成形、生坯处理,烧结和陶瓷体处理等环节组成。

氮化硅陶瓷制备工艺的类型主要是按合成、成型和烧结的不同方法和次序区分的。

01

反应烧结(RS)

反应烧结氮化硅是把Si粉或Si粉与Si3N4粉的混合物成形后 ,在1200 ℃左右通氮气进行预氮化,之后机械加工成所需件,最后在 1400 ℃左右进行最终氮化烧结。在此过程中不需添加助烧剂等,因此高温下材料强度不会明显降低。同时,反应烧结氮化硅具有无收缩特性,可制备形状复杂的部件,但因制品致密度低70 %~90 % ,存在大量气孔,力学性能受到较大的影响。

02

常压烧结( PLS)

常压烧结氮化硅是以高纯、超细、高α相含量的氮化硅粉末与少量助烧剂混合,通过成形、烧结等工序制备而成。在烧结过程中,α相向液相溶解, 之后析出在β- Si3N4晶核上变为β- Si3N4,这有利于烧结过程的进行。烧结时必须通入氮气 ,以抑制Si3N4的高温分解。常压烧结可获得形状复杂、性能优良的陶瓷 ,其缺点是烧结收缩率较大 ,一般为16 %~26 %,易使制品开裂变形。

03

重烧结(PS)

将反应烧结的Si3N4烧结坯在助烧剂存在的情况下,置于氮化硅粉末中,在高温下重烧结,得到致密的Si3N4制品。助烧剂可在硅粉球磨时引入,也可用浸渍的方法在反应烧结后浸渗加入。由于反应烧结过程中可预加工,在重烧结过程中的收缩仅有6 %~10 %,所以可制备形状复杂,性能优良的部件。

04

热压烧结(HP)

把氮化硅粉末与助烧剂置于石墨模具,在高温下单向加压烧结。由于外加压力提高了烧结驱动力,加快了α→β转变及致密化速度。热压法可得到致密度大于95 %的高强氮化硅陶瓷,材料性能高,且制造周期短。但是这种方法只能制造形状简单的制品 ,对于形状复杂的部件加工费用高 ,而且由于单向加压 ,组织存在择优取向 ,使性能在与热压面平行及垂直方向有差异。

05

气压烧结( GPS)

气压烧结是把Si3N4压坯在5~12MPa的氮气中于1800~2100 ℃下进行烧结。由于氮气压力高 ,从而提高了Si3N4的分解温度 ,有利于选用能形成高耐火度晶间相的助烧剂 ,来提高材料的高温性能。

06

热等静压法( HIP)

将氮化硅及助烧剂的混合物粉末封装到金属或玻璃包套中 ,抽真空后通过高压气体在高温下烧结。常用的压力为200MPa ,温度为 2000℃热等静压氮化硅可达理论密度,但它工艺复杂,成本较高。

近年来还发展了其他一些烧结和致密化工艺,如超高压烧结、化学气相沉积、爆炸成形等。

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