Beschreibung der neun wichtigsten Produktleistungen von Siliziumnitridmaterialien

Neun Hauptproduktmerkmale von Siliziumnitridmaterialien

1. Zusammensetzung und Struktur

Die Summenformel von Siliziumnitrid ist Si ₃ N ₄ , eine kovalente Bindungsverbindung. Siliziumnitridkeramiken sind polykristalline Materialien und ihre Kristallstruktur gehört zum hexagonalen System. Im Allgemeinen unterteilt in zwei Kristallorientierungen, α und β, die beide aus [SiN ₄ ] ⁴ -Tetraeder. β-Si ₃ N ₄ hat eine hohe Symmetrie und ein kleines Molvolumen. Es ist eine thermodynamisch stabile Phase bei relativer Temperatur, während α-Si ₃ N ₄ ist relativ einfach dynamisch zu bilden. Bei hohen Temperaturen (1400℃～1800℃) erfährt die α-Phase einen Phasenwechsel in einen β-Typ. Dieser Phasenwechsel ist irreversibel, sodass die α-Phase das Sintern begünstigt.

2. Aussehen

Siliziumnitrid, das aus verschiedenen Kristallphasen gewonnen wird, hat ein unterschiedliches Aussehen. α-Si ₃ N ₄ ist weiß oder grauweiß, lose wollig oder nadelförmig, und β-"Si ₃ N ₄ hat eine dunklere Farbe und erscheint als dichtes körniges Polyeder oder kurzes Prisma. Die Whisker von Siliziumnitrid-Keramik sind transparent oder durchscheinend, und das Erscheinungsbild ist grau, blaugrau bis grauschwarz, das je nach Dichte und relativem Verhältnis variiert und aufgrund von Zusatzstoffen auch andere Farben aufweist. Die Oberfläche von Siliziumnitridkeramik weist nach dem Polieren einen metallischen Glanz auf.

3. Dichte und spezifisches Gewicht

Die theoretische Dichte von Siliziumnitrid beträgt 3100 ± 10 kg/m ³ . Das tatsächlich gemessene wahre spezifische Gewicht von α-Si ₃ N ₄ beträgt 3184 kg/m ³ und das wahre spezifische Gewicht von β-Si ₃ N ₄ beträgt 3187 kg/m ³ . Die Schüttdichte von Siliziumnitridkeramiken variiert je nach Verfahren stark und liegt im Allgemeinen bei mehr als 80 % der theoretischen Dichte und liegt zwischen 2200 und 3200 kg/m ³ . Der Hauptgrund für den Dichteunterschied ist die Porosität. Die Porosität von reaktionsgesintertem Siliziumnitrid liegt im Allgemeinen bei etwa 20 % und die Dichte beträgt 2200 bis 2600 kg/m ³ , während die Porosität von heißgepresstem Siliziumnitrid unter 5 % liegt und die Dichte 3000 bis 3200 kg/m beträgt ³ .Verglichen mit anderen Materialien mit ähnlichen Verwendungszwecken weist es nicht nur eine geringere Dichte als alle Hochtemperaturlegierungen auf, sondern ist auch eines der niedrigdichtesten unter den Hochtemperatur-Strukturkeramiken.

4. Elektrische Isolierung

Siliziumnitridkeramiken können als Hochtemperatur-Isoliermaterialien verwendet werden und ihre Leistungsindikatoren hängen hauptsächlich von der Synthesemethode und der Reinheit ab. Das nicht nitrierte Silizium im Material sowie die während des Herstellungsprozesses eingebrachten Verunreinigungen wie Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Eisen, Titan, Nickel usw. verschlechtern die elektrischen Eigenschaften von Siliziumnitridkeramiken. Im Allgemeinen beträgt der spezifische Widerstand von Siliziumnitridkeramik im trockenen Medium bei Raumtemperatur 1015 bis 1016 Ohm und die Dielektrizitätskonstante beträgt 9,4 bis 9,5. Bei hohen Temperaturen behalten Siliziumnitridkeramiken immer noch einen relativ hohen spezifischen Widerstandswert. Mit der Verbesserung der Prozessbedingungen kann Siliziumnitrid in die Reihe der häufig verwendeten Dielektrika aufsteigen.

V. Thermische Eigenschaften

Der Wärmeausdehnungskoeffizient von gesintertem Siliziumnitrid ist niedrig und beträgt 2,53×10-6/℃, und die Wärmeleitfähigkeit beträgt 18,42 W/m·K. Es verfügt über eine gute Temperaturwechselbeständigkeit, die nur von Quarz und mikrokristallinem Glas übertroffen wird. Den experimentellen Berichten zufolge handelt es sich um eine reaktionsgesinterte Siliziumnitridprobe mit einer Dichte von 2500 kg/m ³ wurde von 1200℃ auf 20℃ abgekühlt und ist nach Tausenden von Wärmezyklen nicht gerissen. Siliziumnitridkeramik weist eine gute thermische Stabilität auf und kann bei hohen Temperaturen lange verwendet werden. Die Einsatztemperatur in einer oxidierenden Atmosphäre kann 1400 °C erreichen, und die Einsatztemperatur in einer neutralen oder reduzierenden Atmosphäre kann 1850 °C erreichen.

VI. Mechanische Eigenschaften

Siliziumnitrid weist eine hohe mechanische Festigkeit auf. Die Biegefestigkeit allgemeiner heißgepresster Produkte beträgt 500 bis 700 MPa und die hohe Festigkeit kann 1000 bis 1200 MPa erreichen. Die Biegefestigkeit nach dem Reaktionssintern beträgt 200 MPa und die hohe Festigkeit kann 300 bis 400 MPa erreichen. Obwohl die Raumtemperaturfestigkeit von reaktionsgesinterten Produkten nicht hoch ist, nimmt ihre Festigkeit bei hohen Temperaturen von 1200 bis 1350 °C nicht ab. Siliziumnitrid weist ein geringes Hochtemperaturkriechen auf. Beispielsweise beträgt die Belastung von reaktionsgesintertem Siliziumnitrid bei 1200 °C 24 MPa und die Verformung beträgt 0,5 % nach 1000 Stunden.

VII. Reibungskoeffizient und Selbstschmierfähigkeit

Der Reibungskoeffizient von Siliziumnitridkeramik ist gering, und der Anstieg des Reibungskoeffizienten ist auch unter Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeitsbedingungen gering, wodurch der normale Betrieb des Mechanismus gewährleistet werden kann. Dies ist ein herausragender Vorteil von Siliziumnitridkeramiken. Wenn Siliziumnitridkeramik zu verschleißen beginnt, erreicht der Gleitreibungskoeffizient 1,0 bis 1,5. Nach dem Präzisionsschleifen wird der Reibungskoeffizient stark reduziert und bleibt unter 0,5. Daher gelten Siliziumnitridkeramiken als selbstschmierende Eigenschaften. Im Gegensatz zu Graphit, Bornitrid und Talk liegt der Hauptgrund für diese Selbstschmierung in der schichtweisen Struktur des Materialgefüges. Unter Druck zersetzt sich die Reibfläche leicht und es bildet sich ein dünner Luftfilm, der den Gleitwiderstand zwischen den Reibflächen verringert und die Glätte der Reibfläche erhöht. Dabei gilt: Je größer die Reibung, desto geringer der Widerstand und der Verschleiß ist besonders gering. Nach kontinuierlicher Reibung neigt das Material dazu, seinen Reibungskoeffizienten aufgrund von Oberflächenverschleiß oder Erweichung aufgrund eines Temperaturanstiegs allmählich zu erhöhen.

VIII. Bearbeitbarkeit

Siliziumnitridkeramik kann auf die gewünschte Form, Präzision und Oberflächenbeschaffenheit bearbeitet werden.

IX. Chemische Stabilität

Siliziumnitrid hat gute chemische Eigenschaften und kann der Korrosion durch alle anorganischen Säuren mit Ausnahme von Flusssäure und Natriumhydroxidlösung mit weniger als 25 % widerstehen. Seine Oxidationsbeständigkeitstemperatur kann 1400℃ erreichen, und seine Einsatztemperatur in einer reduzierenden Atmosphäre kann 1870℃ erreichen. Es wird auf Metallen (insbesondere flüssigem Aluminium) nicht nass, und dies gilt umso mehr für Nichtmetalle.

Aus den oben genannten physikalischen und chemischen Eigenschaften von Siliziumnitridkeramiken geht hervor, dass die gute Leistung von Siliziumnitridkeramiken einen besonderen Anwendungswert für die Arbeitsumgebung mit hohen Temperaturen, hoher Geschwindigkeit und stark korrosiven Medien hat, die in der modernen Technologie häufig anzutreffen sind. Seine herausragenden Vorteile sind:

Es hat folgende Punkte:

(1) Hohe mechanische Festigkeit und Härte ähnlich Korund. Die Biegefestigkeit von heißgepresstem Siliziumnitrid bei Raumtemperatur kann bis zu 780–980 MPa betragen, einige sind sogar höher als die von legiertem Stahl, und die Festigkeit kann bis zu 1200 °C ohne Verschlechterung aufrechterhalten werden.

(2) Mechanische Selbstschmierung, niedriger Oberflächenreibungskoeffizient, Verschleißfestigkeit, hoher Elastizitätsmodul und Hochtemperaturbeständigkeit.

(3) Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, hohe Wärmeleitfähigkeit und gute Temperaturwechselbeständigkeit.

(4) Geringe Dichte und niedriges spezifisches Gewicht.

(5) Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit.

(6) Gute elektrische Isolierung.