山(shān)東(dōng)埃爾派 | 點擊量:0次 | 2020-12-09
氮化(huà)矽

氮化(huà)矽是(shì)一(yī)種無機(jī)物(wù),化(h↕÷uà)學式為(wèi)Si3N4。它是(®☆§$shì)一(yī)種重要(yào)的(de)結構陶瓷材料,硬度大(dà),本身(shφ±ēn)具有(yǒu)潤滑性,并且耐磨損,為(wèi)原子(z®ǐ)晶體(tǐ);高(gāo)溫時(shí)抗氧化(huà)。而且它還(hái)能(nén≤♣g)抵抗冷(lěng)熱(rè)沖擊,在空(kōng)≥氣中加熱(rè)到(dào)1000℃以上(shàng),急劇(• jù)冷(lěng)卻再急劇(jù)加熱(rè),也(yě)不(≈α→bù)會(huì)碎裂。正是(shì)由于氮化(h ©uà)矽陶瓷具有(yǒu)如(rú)此優₹λ♠異的(de)特性,人(rén)們常常利用(yòn¥€→g)它來(lái)制(zhì)造軸承、氣輪機(£jī)葉片、機(jī)械密封環、永久性模具等機(jī)械構件(jiàn)☆∏¶。如(rú)果用(yòng)耐高(gāo)溫而且不(bù)易傳熱(r&γè)的(de)氮化(huà)矽陶瓷來(lái)制(zhì)造發動機(jī)部件(jiàn)的(d♠≥§§e)受熱(rè)面,不(bù)僅可(kě)以提高(gāo)柴油機(jī)質量,節省✘>燃料,而且能(néng)夠提高(gāo)熱(rè)效率。中國(guó)及美(měi)©∑國(guó)、日(rì)本等國(guó)家(jiā)都(dōu)已§•研制(zhì)出了(le)這(zhè)種柴油∑'™÷機(jī)。
氮化(huà)矽用(yòng)做(zuò)高↕∏"(gāo)級耐火(huǒ)材料,如(rú)與sic結合作(zuò)SI3N4-SI&↕±✘C耐火(huǒ)材料用(yòng)于高( →gāo)爐爐身(shēn)等部位;如(rú)與BN結合作(zuò)S →I3N4-BN材料,用(yòng)于水(shuǐ)平連鑄'÷₽分(fēn)離(lí)環。SI3N4-B¶ N系水(shuǐ)平連鑄分(fēn)離(lí)環是ε≠$♥(shì)一(yī)種細結構陶瓷材料,結構均勻,具有(yǒu)高(gā∞σo)的(de)機(jī)械強度。耐熱(rè)沖擊性好(hǎ<₽™∑o),又(yòu)不(bù)會(huì)被鋼液濕♥✘¶潤,符合連鑄的(de)工(gōng)藝要(y✘φ♠αào)求。
氮化(huà)矽陶瓷制(zhì)品的(de)生(>₩shēng)産方法有(yǒu)兩種,即反應燒結法和(hé)熱(rè)壓燒結法。反≈∏™≤應燒結法是(shì)将矽粉或矽粉與氮化(huà)矽粉的(d↔∏e)混合料按一(yī)般陶瓷制(zhì)品生(shēng)産方法成型。然後在氮化(huà)爐內★α (nèi),在1150~1200℃預氮化(✘ ≈¥huà),獲得(de)一(yī)定強度後,可(kě)在機©<(jī)床上(shàng)進行(xíng)機(jī)械加工(gōng),接著(zhe)在13₹♣50~1450℃進一(yī)步氮化(huà)18~36h,直到(dào)全部變為(wèiε☆ )氮化(huà)矽為(wèi)止。這(zhè)樣制(z∞×↑ hì)得(de)的(de)産品尺寸精确,體(tǐ)積穩定。熱(rè)壓燒結法則是(s∑•hì)将氮化(huà)矽粉與少(shǎo)量添加劑(如(rú)M§↕↔→gO、Al2O3、MgF2、AlF3或Fe2O3等),在1≥"₩↕9.6MPa以上(shàng)的(de)壓力和(hé)1600~ ✘☆1700℃條件(jiàn)下(xià)壓熱(rè)成型燒結。通(tōng)常熱(rè)壓燒結法制ε≥↑♦(zhì)得(de)的(de)産品比反應燒結制(zhì)得(de)的™₹×→(de)産品密度高(gāo),性能(néng)好(hǎo'≈★)。附表1中列出了(le)這(zhè)兩種方法生(shēng)産的(de)氮≈↕→€化(huà)矽陶瓷的(de)性能(néng)。
其他(tā)應用(yòng)
氮化(huà)矽陶瓷材料具有(yǒu)熱(rè)穩φ∑≈&定性高(gāo)、抗氧化(huà)能(néng)力π≠π強以及産品尺寸精确度高(gāo)等優良性能(néng)。由于氮化(huà)矽是♦↔α≥(shì)鍵強高(gāo)的(de)共價化(huà)合$ ÷$物(wù),并在空(kōng)氣中能(néng)形♠¥₹成氧化(huà)物(wù)保護膜,所以還(hái)具有₹(yǒu)良好(hǎo)的(de)化(huà™↑±)學穩定性,1200℃以下(xià)不(bù)被氧化(huà),1200~1 Ω&600℃生(shēng)成保護膜可(kě)防止進一(yī)步氧化(huà),并且不(bαφù)被鋁、鉛、錫、銀(yín)、黃(huáng)銅、鎳等很(hěn)多(duō)種熔融金(jī♦'©←n)屬或合金(jīn)所浸潤或腐蝕,但(dàn)₩≤能(néng)被鎂、鎳鉻合金(jīn)、不(bù)鏽鋼等熔液所'Ω腐蝕。
氮化(huà)矽陶瓷材料可(kě)用(®≤∞yòng)于高(gāo)溫工(gōng)程的(de)部件(ji<★Ωàn),冶金(jīn)工(gōng)業(yè)等方面的(de)高(gāo)級 ↔γ耐火(huǒ)材料,化(huà)工(gōng)工(gōng)業(yè©₽)中抗腐蝕部件(jiàn)和(hé)密封部件(jiàn),機(jī)械加 工(gōng)工(gōng)業(yè)的(de)刀(dāo)具和(hé)刃具等。₹γ®<
由于氮化(huà)矽與碳化(huà)矽、氧化(huà)鋁、二氧化(huà₩≈)钍、氮化(huà)硼等能(néng)形成很(hěn)強的(de)結合,所以可(kě)用(yòng÷ )作(zuò)結合材料,以不(bù)同配比進行(xíng)改性。
此外(wài),氮化(huà)矽還(hái)能(néng)應用(πβyòng)到(dào)太陽能(néng)電(dià♥↕n)池中。用(yòng)PECVD法鍍氮化(huà)矽膜後,不(bù)但(dàn)能(λ☆ε♥néng)作(zuò)為(wèi)減反射膜可(kě)減小(xiǎλ σσo)入射光(guāng)的(de)反射,而且,在氮化(huà)矽薄膜的(de®☆ )沉積過程中,反應産物(wù)氫原子(zǐ)進入氮化(huà)矽薄膜以及♣ 矽片內(nèi),起到(dào)了(le)鈍化(huà)缺陷≤的(de)作(zuò)用(yòng)。這(zhè)裡(lǐ)的(de)氮化(γ∞"huà)矽氮矽原子(zǐ)數(shù)目比 ∏<$并不(bù)是(shì)嚴格的(de)4:3,€♥↔ 而是(shì)根據工(gōng)藝條件(jiࣩ≠n)的(de)不(bù)同而在一(yī)定範圍內(nèi)波動,不(bù)同的(de)原子(zǐ÷✘↕γ)比例對(duì)應的(de)薄膜的(de)物(wù)理(lǐ)性質有(yǒu)所不₹≥↑(bù)同。
用(yòng)于超高(gāo)溫燃氣透平,飛(fēi)機' (jī)引擎,電(diàn)爐等。
氮化(huà)矽的(de)強度很(hěn)高(gāo),尤其是(shì)熱(rè)£₽壓氮化(huà)矽,是(shì)世界上(sh™± àng)最堅硬的(de)物(wù)質之一(yī)。它極耐" 高(gāo)溫,強度一(yī)直可(kě)以維持到(dào)1200℃的(d±§₩Ωe)高(gāo)溫而不(bù)下(xià)降¥♦,受熱(rè)後不(bù)會(huì)熔成融體(tǐ),一(yī)直到↑λ(dào)1900℃才會(huì)分(fēn)解,并有(yǒu)驚人♣✘←(rén)的(de)耐化(huà)學腐蝕性能(néng),能(néng)耐幾乎所有(yǒu)的(Ωβ"de)無機(jī)酸和(hé)30%以下(xià)的(de)燒堿溶液,也(yě)能(nén¥÷g)耐很(hěn)多(duō)有(yǒu)機(jī)酸的(de)腐蝕×≈§;同時(shí)又(yòu)是(shì)一(yī)種高(gāo)性能(néng)電(diàn)σ ↕ 絕緣材料。
氮化(huà)矽 - 性質 化(huà)學式Si3N4。白(bái)色粉狀晶體(tǐ);熔點1®Ω₹900℃,密度3.44克/厘米(20℃);有(yǒu)兩種變體(t↓σ ₹ǐ):α型為(wèi)六方密堆積結構;β型為(wèi)似晶δ石結構。氮化(huà)矽有(yǒu)雜(zá)質或過量矽時(shí)呈灰色。
氮化(huà)矽與水(shuǐ)幾乎不(bù)發生(shēng)作(zuò)≥←用(yòng);在濃強酸溶液中緩慢(màn)水(shuǐ)解生(shēng)成铵鹽✔≥"≥和(hé)二氧化(huà)矽;易溶于氫氟酸,與稀酸不(bù)起作(zδεγ uò)用(yòng)。濃強堿溶液能(néng)緩慢(màn)腐♣±¶✔蝕氮化(huà)矽,熔融的(de)強堿能(néng)很(hěn)快(kuài)使×↕↑氮化(huà)矽轉變為(wèi)矽酸鹽和(hé)氨。ε₩氮化(huà)矽在 600℃以上(shàng)能(néng)使過渡金(jīn)屬(見(ji'™àn)過渡元素)氧化(huà)物(wù)、氧化(→±huà)鉛、氧化(huà)鋅和(hé)二氧化(huà)錫∏λΩ等還(hái)原,并放(fàng)出氧化(huà)氮和(hé)二氧化(huà)氮。1285℃ 時(★"≤¶shí)氮化(huà)矽與二氮化(huà)三鈣Ca3N2發€€生(shēng)以下(xià)反應:
Ca3N2+Si3N4─→3CaSiN2
氮化(huà)矽的(de)制(zhì)法有(yǒu)以下(x¶>ià)幾種: 在1300~1400℃時(sh×§í)将粉狀矽與氮氣反應; 在1500℃時(shí)将純矽與氨作(zuò)用(↕↓∏"yòng);
在含少(shǎo)量氫氣的(de)氮氣中灼燒二氧化(huΩ∏'σà)矽和(hé)碳的(de)混合物(wù);将SiCl4的(de)λ∏β氨解産物(wù)Si(NH2)4完全熱(rè)分(fēn)解。氮化(huà)矽可(kě)用(y'≥σòng)作(zuò)催化(huà)劑載體(tǐ)、耐高(gāo)溫材料、塗層δ&和(hé)磨料等。
氮化(huà)矽陶瓷具有(yǒu)高(gāo)強度、耐高(☆§gāo)溫的(de)特點,在陶瓷材料中其綜合力學性能(néng)最好(€ ₽hǎo),耐熱(rè)震性能(néng)、抗氧化(huà)性能(néng)、耐磨損性能(nén≥♥g)、耐蝕性能(néng)好(hǎo),是(shì)熱(rè)機(jī)部件(✘δ∏jiàn)用(yòng)陶瓷的(de)第一(yī)候選材料。在機(jī)械工(g≈☆≤ōng)業(yè),氮化(huà)矽陶瓷用(yòng)作(zuò)軸承滾珠、滾柱、滾球座®✘圈、工(gōng)模具、新型陶瓷刀(dāo)φ"具、泵柱塞、心軸 密封材料等。
在化(huà)學工(gōng)業(yè),氮化(huà)矽陶瓷用×∑®©(yòng)作(zuò)耐磨、耐蝕部件(jiàn)。如•λσ(rú)球閥、泵體(tǐ)、燃燒汽化(huà)器(qì)、過濾器(qì)等。
在治金(jīn)工(gōng)業(yè)¥β∞¶,由于氮化(huà)矽陶瓷耐高(gāo)溫,摩擦系數(sh™↕♦→ù)小(xiǎo),具有(yǒu)自(zì)潤滑性。對(duì)多(duō)數( ¥§shù)金(jīn)屬、合金(jīn)溶液> 穩定,因此,可(kě)制(zhì)作(zu≥±ò)金(jīn)屬材料加工(gōng)的(de)工←₽α(gōng)模具,如(rú)撥菅芯棒、擠壓、撥絲模具,軋輥α✘、傳送輥、發熱(rè)體(tǐ)夾具、熱(rè)偶套營、金(jīn)屬熱(rè)處理(lǐ)支承件≥£(jiàn)、坩埚,鋁液導營、鋁包內(nèi)襯等。
氮化(huà)矽陶資材料在電(diàn)子(zǐ)、軍事(shì)和(hé)≈ππ♠核工(gōng)業(yè)方面也(yě)有(yǒu)廣泛應用(yòng)。
1、氮化(huà)矽陶瓷粉末的(de)物(wù)理(lǐ)化(huà)性能(néng)及✔✘₽産品的(de)技(jì)術(shù)指标
氮化(huà)矽陶瓷是(shì)一(yī)種白(bái)灰色粉末,分(fēn↕"δσ)子(zǐ)式為(wèi):SI3N4 ;
分(fēn)子(zǐ)重量:140.3 , 密度3.2g/β₹±£cm³
其化(huà)學成分(fēn):N>38-39;0<1-1.5;C<0.↔<σλ1;Fe<0.2。
粒度按用(yòng)戶要(yào)求而定。
(一(yī))氮化(huà)矽行(xíng)業(yè) €∏←技(jì)術(shù)概述
氮化(huà)矽是(shì)在人(r≥ ×én)工(gōng)條件(jiàn)下(xià)合成的(de)化(huà)合物(wù)。雖早在1☆×40多(duō)年(nián)前就(jiù)直接合成了(le)氮化(huà)矽,但±♦(dàn)當時(shí)僅僅作(zuò)₹±為(wèi)一(yī)種穩定的(de)&ld©λφ"quo;難熔”的(de)氮化(huà)物(wù)留在人(rén)÷♠σ們的(de)記憶中。二次大(dà)戰後,科(kē)技(jì)的(↕'de)迅速發展,迫切需要(yào)耐高(gāo)溫、高(gāo)硬度、高(gāφ§§₩o)強度、抗腐蝕的(de)材料。經過長(cháng)期的(de)努力,直至1955年(nián)氮γ∑®化(huà)矽才被重視(shì),七十年(nián)代中期才真正制(zhì)得(d±→φe)了(le)高(gāo)質量、低(dī)成本,有(yǒu)廣泛重要(yào)用(yòng)↓ 途的(de)氮化(huà)矽陶瓷制(zhì)品。
我國(guó)自(zì)80年(nián)代中期開(kāi)始₹•≠研究氮化(huà)矽技(jì)術(shù)。主要(yào>≠)是(shì)研究減重效率最高(gāo)的(de)結構氮化(h€<uà)矽材料-多(duō)孔氮化(huà)矽材料,關α♥于氮化(huà)矽複合材料的(de)研究剛剛起步,多(duō)孔氮化(♣huà)矽複合材料材料組成體(tǐ)系的(de)理(lǐ)論設計(jì)與試驗設計(jì)相(φ¶$♦xiàng)關研究很(hěn)少(shǎo),尚處于摸索階段,受國(g<✘±®uó)內(nèi)外(wài)相(xiàng)關研究資料較少(δ ≈shǎo)的(de)影(yǐng)響,這(zhè)方面我≥→$國(guó)的(de)研究一(yī)直處于相(xiàng)對(duì¥)落後地(dì)位,許多(duō)研究單位以及學者多(duō)把研究重點放(λ↕↔fàng)在軍工(gōng)領域,而其它領域的(d≈γ₹e)應用(yòng)研究基本尚處空(kōng)白(bái)♥®。這(zhè)方面的(de)研究有(yǒu)待進一(yī)步加強。多(£÷✘☆duō)孔氮化(huà)矽陶瓷介電(diàn)常數(shù)預測及其性能(néng)影(yǐ≥÷≠ ng)響規律認識不(bù)夠完全,其理(lǐ)論工(gōng)作€←≈γ(zuò)與試驗工(gōng)作(zuò)的(de)研究都(dōu)很(hěn)少(shǎo£☆♠¥)。
(二)氮化(huà)矽制(zhì)品的(de)生(✔δ₹shēng)産工(gōng)藝:
氮化(huà)矽制(zhì)品按工(gōng)≤&藝可(kě)以分(fēn)為(wèi)反應燒結制(zhì)品、熱(rè)壓制(zhì)品、常> ¥×壓燒結制(zhì)品、等靜(jìng)壓燒結制(zhì)品和(hé)反應重燒制(zhì)品等€ 。其中,反應燒結是(shì)一(yī)種常用(yòng)的(de)✔¶§✔生(shēng)産氮化(huà)矽耐火(huǒ)制(zhì)品的(de)方&γ∏法。
反應燒結法生(shēng)産氮化(h→±uà)矽制(zhì)品是(shì)将磨細¶∑★的(de)矽粉(粒度一(yī)般小(xiǎo)于80μm),用(yòng)機(jī)壓÷↑÷≤或等靜(jìng)壓成型,坯體(tǐ)幹燥後,在氮氣中加熱(rè)至13≠Ω→50~1400℃,在燒成過程中同時(shí)氮≤→α→化(huà)而制(zhì)得(de)。采用(yòng)這(zhè)種生ε$(shēng)産方法,原料條件(jiàn)和(hé)燒成工(gōng)藝及氣氛條件(j'♠πiàn)對(duì)制(zhì)品的(de)性能(néng)有(yǒu)很±★★δ(hěn)大(dà)的(de)影(yǐng)響。
矽粉中含有(yǒu)許多(duō)雜(zá)質,如(rú)Fe,C§α≈₩a,Aì,Ti等。Fe被認為(≈β•wèi)是(shì)反應過程中的(de)催化(huà)劑。它能(néng)促進矽的(de)擴®σ$散,但(dàn)同時(shí),也(yě)将造成氣孔等缺陷。≤∏Fe作(zuò)為(wèi)添加劑的(de)主₹↕要(yào)作(zuò)用(yòng):在反應過程中可(kě)作(zuò)催化(→'∏♣huà)劑,促使制(zhì)品表面生(shēng)成SiO2氧化(huà)膜;形成鐵(ti↓ě)矽熔系,氮溶解在液态FeSi2中,促進β-Si3N4®©的(de)生(shēng)成。但(dàn)鐵(tiěπ≤↕✘)顆粒過大(dà)或含量過高(gāo),制≠©®(zhì)品中也(yě)會(huì)出現(xiàn)氣孔等缺陷,降低(d≈₩ī)性能(néng)。一(yī)般鐵(tiě)的(de)加入量為(wèi)0~5%。Al,Ca,φ$πγTi等雜(zá)質,易與矽形成低(dī)共熔物(₽↔wù)。适當的(de)添加量,可(kě)以促進燒結,提高(gāo)制(zhì)品的(d↔•e)性能(néng)。
矽粉的(de)粒度越細,比表面積越大(dà),則可(kě ∞)降低(dī)燒成溫度。粒度較細的(deε←→)矽粉與粒度較粗的(de)矽粉相(xiàng)比,制(zhì)品中含$±≤α- Si3N4的(de)量增高(gāo)。降低(dī)矽粉的(de)粒徑,可(kě)β£以降低(dī)制(zhì)品的(de)顯微(wēi)氣孔尺寸。适當的(de)粒度配比,可☆→(kě)以提高(gāo)制(zhì)品密度。
溫度對(duì)氮化(huà)速率影(yǐng)響很("↓₹hěn)大(dà)。在970~1000℃氮化(huà)反應開(kāi)始,在1250℃左右∏₹•<反應速率加快(kuài)。在高(gāo)溫階段,由于是(shì)放(fàng)熱(r↕÷εè)反應,若溫度很(hěn)快(kuài)超過矽的 σ(de)熔點(1420℃),則易出現(xiàn)流γβ×矽,嚴重的(de)将使矽粉坯體(tǐ)熔融坍塌。
埃爾派位于山(shān)東(dōng)Ω✔≥γ省濰坊市(shì)安丘市(shì)先進制(zhì)造業(yè)産業(yè)園 ♣♥₹,擁有(yǒu)逾50000平方米的(de)機(jī)械生(shēng)産基地(dì★ §₽)和(hé)現(xiàn)代化(huà)的(de)管理(lǐ)制(zhì)度,自(zìγ<)成立以來(lái),牢記“以粉體(tǐ)技(jì)術(shù)開(kāi)創先§π進材料的(de)未來(lái)”的(de)使命,秉™♠€☆承“合規笃信,和(hé)合共生(shēng)”的(de)價值觀,制(zh✔↑ì)定了(le)“不(bù)求所有(yǒu),但(dàn)≠&求所用(yòng)”的(de)人(ré≈≤πn)才戰略,與多(duō)所高(gāo)等院校(xiào)合作(zuò)簽署&ldqu≥☆☆o;産學研”發展計(jì)劃。
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