Mô tả chín đặc tính sản phẩm chính của vật liệu silicon nitrit

Chín tính năng sản phẩm chính của vật liệu silicon nitride

1. Thành phần và cấu trúc

Công thức phân tử của silicon nitrit là Si ₃ N ₄ , là hợp chất liên kết cộng hóa trị. Gốm silicon nitride là vật liệu đa tinh thể và cấu trúc tinh thể của chúng thuộc hệ lục giác. Thường được chia thành hai hướng tinh thể, α và β, cả hai đều bao gồm [SiN ₄ ] ⁴ -tứ diện. β-Si ₃ N ₄ có tính đối xứng cao và thể tích mol nhỏ. Đây là pha ổn định về mặt nhiệt động ở nhiệt độ tương đối, trong khi α-Si ₃ N ₄ tương đối dễ dàng để hình thành một cách linh hoạt. Ở nhiệt độ cao (1400oC ～ 1800oC), pha α sẽ chuyển pha để trở thành loại β. Sự thay đổi pha này là không thể đảo ngược nên pha α thuận lợi cho quá trình thiêu kết.

2. Ngoại hình

Silicon nitride thu được từ các pha tinh thể khác nhau có hình dạng khác nhau. α-Si ₃ N ₄ có màu trắng hoặc xám trắng, len hoặc hình kim, và β-"Si ₃ N ₄ có màu đậm hơn và xuất hiện dưới dạng khối đa diện dạng hạt dày đặc hoặc lăng kính ngắn. Các sợi của gốm silicon nitride trong suốt hoặc mờ, bề ngoài có màu xám, xám xanh đến xám đen, thay đổi theo mật độ và tỷ lệ tương đối, đồng thời cũng có các màu khác do phụ gia. Bề mặt gốm silicon nitride có ánh kim loại sau khi đánh bóng.

3. Mật độ và trọng lượng riêng

Mật độ lý thuyết của silicon nitride là 3100±10kg/m ³ . Trọng lượng riêng thực tế đo được của α-Si ₃ N ₄ là 3184kg/m ³ , và trọng lượng riêng thực sự của β-Si ₃ N ₄ là 3187kg/m ³ . Mật độ khối của gốm silicon nitrit thay đổi rất nhiều tùy theo quy trình, thường lớn hơn 80% mật độ lý thuyết, dao động từ 2200 đến 3200kg/m ³ . Lý do chính cho sự khác biệt về mật độ là độ xốp. Độ xốp của silicon nitride thiêu kết phản ứng thường khoảng 20% ​​và mật độ là 2200 đến 2600kg/m3 ³ , trong khi độ xốp của silicon nitride ép nóng dưới 5% và mật độ là 3000 đến 3200kg / m ³ .So với các vật liệu khác có công dụng tương tự, nó không chỉ có mật độ thấp hơn tất cả các hợp kim nhiệt độ cao mà còn là một trong những loại có mật độ thấp trong số các loại gốm kết cấu nhiệt độ cao.

4. Cách điện

Gốm silicon nitride có thể được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt ở nhiệt độ cao và các chỉ số hiệu suất của chúng chủ yếu phụ thuộc vào phương pháp tổng hợp và độ tinh khiết. Silicon không chứa nitrit hóa trong vật liệu, cũng như các tạp chất như kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ, sắt, titan, niken, v.v. được đưa vào trong quá trình chuẩn bị, sẽ làm giảm tính chất điện của gốm silicon nitrit. Nói chung, điện trở riêng của gốm silicon nitride trong môi trường khô ở nhiệt độ phòng là 1015 ~ 1016 ohm và hằng số điện môi là 9,4 ~ 9,5. Ở nhiệt độ cao, gốm silicon nitride vẫn duy trì giá trị điện trở riêng tương đối cao. Với sự cải thiện các điều kiện quy trình, silicon nitride có thể được đưa vào hàng ngũ chất điện môi được sử dụng phổ biến.

V. Tính chất nhiệt

Hệ số giãn nở nhiệt của silicon nitride thiêu kết thấp, là 2,53×10-6/oC và độ dẫn nhiệt là 18,42W/m·K. Nó có khả năng chống sốc nhiệt tốt, chỉ đứng sau thạch anh và thủy tinh vi tinh thể. Theo báo cáo thực nghiệm, mẫu silicon nitrit thiêu kết phản ứng có mật độ 2500kg/m ³ đã được làm lạnh từ 1200oC xuống 20oC và không bị nứt sau hàng nghìn chu kỳ nhiệt. Gốm silicon nitride có độ ổn định nhiệt tốt và có thể sử dụng lâu dài ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ sử dụng trong môi trường oxy hóa có thể đạt tới 1400oC và nhiệt độ sử dụng trong môi trường trung tính hoặc khử có thể đạt tới 1850oC.

VI. Tính chất cơ học

Silicon nitride có độ bền cơ học cao. Độ bền uốn của các sản phẩm ép nóng thông thường là 500 ~ 700MPa, cường độ cao có thể đạt tới 1000 ~ 1200MPa; cường độ uốn sau khi thiêu kết phản ứng là 200MPa và cường độ cao có thể đạt tới 300 ~ 400MPa. Mặc dù độ bền ở nhiệt độ phòng của các sản phẩm thiêu kết phản ứng không cao nhưng độ bền của nó không giảm ở nhiệt độ cao 1200 ~ 1350oC. Silicon nitride có độ rão ở nhiệt độ cao thấp. Ví dụ, tải của silicon nitride thiêu kết phản ứng ở 1200oC là 24MPa và biến dạng là 0,5% sau 1000 giờ.

VII. Hệ số ma sát và khả năng tự bôi trơn

Hệ số ma sát của gốm silicon nitride nhỏ và hệ số ma sát tăng cũng nhỏ trong điều kiện nhiệt độ cao và tốc độ cao, có thể đảm bảo hoạt động bình thường của cơ chế. Đây là một ưu điểm nổi bật của gốm silicon nitride. Khi gốm silicon nitride bắt đầu mòn, hệ số ma sát trượt đạt 1,0 đến 1,5. Sau khi mài chính xác, hệ số ma sát giảm đi rất nhiều và duy trì ở mức dưới 0,5. Do đó, gốm silicon nitride được coi là có đặc tính tự bôi trơn. Không giống như than chì, boron nitride và talc, nguyên nhân chính của khả năng tự bôi trơn này nằm ở cấu trúc phân lớp của cấu trúc vật liệu. Dưới áp lực, bề mặt ma sát bị phân hủy nhẹ tạo thành màng không khí mỏng, làm giảm lực cản trượt giữa các bề mặt ma sát và tăng độ mịn của bề mặt ma sát. Bằng cách này, ma sát càng lớn thì lực cản càng nhỏ và độ mài mòn đặc biệt nhỏ. Sau khi ma sát liên tục, vật liệu có xu hướng tăng dần hệ số ma sát do mài mòn bề mặt hoặc mềm đi do nhiệt độ tăng.

VIII. Khả năng gia công

Gốm silicon nitride có thể được gia công theo hình dạng, độ chính xác và độ hoàn thiện bề mặt mong muốn.

IX. Tính ổn định hóa học

Silicon nitride có tính chất hóa học tốt và có thể chống lại sự ăn mòn của tất cả các axit vô cơ ngoại trừ axit hydrofluoric và dung dịch natri hydroxit dưới 25%. Nhiệt độ chống oxy hóa của nó có thể đạt tới 1400oC và nhiệt độ sử dụng của nó trong môi trường khử có thể đạt tới 1870oC. Nó không bị ướt trên kim loại (đặc biệt là chất lỏng nhôm) và thậm chí còn hơn thế nữa trên phi kim loại.

Từ các tính chất vật lý và hóa học trên của gốm silicon nitride, có thể thấy rằng hiệu suất tốt của gốm silicon nitride có giá trị ứng dụng đặc biệt đối với môi trường làm việc ở nhiệt độ cao, tốc độ cao và môi trường ăn mòn mạnh thường gặp trong công nghệ hiện đại. Ưu điểm nổi bật của nó là:

Nó có những điểm sau:

(1) Độ bền cơ học cao và độ cứng gần với corundum. Độ bền uốn ở nhiệt độ phòng của silicon nitride ép nóng có thể lên tới 780-980MPa, một số thậm chí còn cao hơn thép hợp kim và độ bền có thể được duy trì tới 1200oC mà không bị suy giảm.

(2) Tự bôi trơn cơ học, hệ số ma sát bề mặt thấp, chống mài mòn, mô đun đàn hồi cao và chịu nhiệt độ cao.

(3) Hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ dẫn nhiệt cao và khả năng chống sốc nhiệt tốt.

(4) Mật độ thấp và trọng lượng riêng thấp.

(5) Chống ăn mòn và chống oxy hóa.

(6) Cách điện tốt.