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      氮化硅材料的性能特點及其應用簡介

      發布時間:2020-05-21

      氮化硅(Si3N4陶瓷是無機非金屬強共價鍵化合物,其基本結構單元為四面體,硅原子位于四面體的中心,四個氮原子分別位于四面體的四個頂點,然后以每三個四面體共用一個硅原子的形式在三維空間形成連續而又堅固的網絡結構,氮化硅的許多性能都是因為其具有這種特殊的結構。

      因此Si3N4結構中氮原子與硅原子間結合力很強,其作為一種高溫結構陶瓷,素有陶瓷材料中的“全能冠軍”之稱。

      氮化硅晶型

      氮化硅(Si3N4含有三種晶型,常見有兩種晶型。一種為α-Si3N4,針狀結晶體,呈白色或灰白色,另一種為β-Si3N4,顏色較深,呈致密的顆粒狀多面體或短棱柱體。兩者均為六方晶系。較長的堆疊順序導致α相的硬度高于β相。然而,β相相比,α相化學不穩定。 所以在液相的高溫下,α相總是轉變為β相。因此,β-Si3N4是氮化硅陶瓷中使用的主要形式。

      一、氮化硅材料的性能特點

      1、氮化硅的物理性能

      ①熱學性質:屬高溫難熔物質,無熔點,常壓下1900℃左右分解,抗高壓蠕變能力強,不含粘結劑的反應燒結氮化硅負荷軟化點可高達1800℃;

      ②導熱性能好;

      ③熱膨脹系數??;

      ④電絕緣性能好,介電系數小,抗擊穿電壓高。

      2、氮化硅的化學性能

      ①抗氧化性:800℃以下干燥氣氛中不與氧反應;

      ②抗熔融金屬腐蝕性:氮化硅對單質金屬融液(除銅外)不浸潤,不受腐蝕;

      ③抗酸堿鹽腐蝕性:易溶于氫氟酸,與稀酸不起作用。

      3、氮化硅的機械性能

      ①高溫強度好,1200℃高溫強度與室溫強度相比衰減不大,另外,它的高溫蠕變率很低。這些都是由強共價鍵本質所決定的;

      硬度高,僅次于金剛石、立方BN、B4C等少數幾種超硬材料;

      ③摩擦系數小,有自潤滑性,與加油的金屬表面相似。

      二、氮化硅陶瓷的市場應用簡介

      汽車產業:燒結氮化硅的主要應用在汽車行業作為一個發動機零件材料。 在火花點火發動機中,氮化硅用于較低磨損的搖臂墊,用于較低慣性的渦輪增壓器和較少的發動機滯后,以及用于增加加速度的廢氣控制閥。



      軸承 與其他陶瓷相比,氮化硅陶瓷具有良好的抗沖擊性。 因此,在性能軸承中使用由氮化硅陶瓷制成的滾珠軸承。 一個代表性的例子是在美國宇航局航天飛機的主發動機中使用氮化硅軸承。由于氮化硅球軸承比金屬硬,所以這減少了與軸承軌道的接觸。氮化硅球軸承可以在高端汽車軸承,工業軸承,風力渦輪機,賽車運動,自行車,溜冰鞋和滑板中找到。賽車運動,自行車,溜冰鞋和滑板中找到。

                                                氮化硅軸承

      高溫材料:氮化硅長期以來一直用于高溫應用。 特別地,它被確定為能夠存活在氫/氧氣火箭發動機中產生的嚴重熱沖擊和熱梯度的少數單片陶瓷材料之一。

      氮化硅推進器。左:安裝在試驗架上。右:用H2O2推進劑進行測試

      醫療:氮化硅具有許多矯形應用。該材料也是用于脊柱融合裝置的PEEK(聚醚醚酮)和鈦的替代物。 與PEEK和鈦相比,氮化硅的親水,微觀結構表面有助于材料的強度,耐久性和可靠性。

      脊柱融合

      金屬切削刀具:由于其硬度,熱穩定性和耐磨性,散裝的整體式氮化硅被用作切割工具的材料。 特別推薦用于鑄鐵的高速加工。 熱硬度,斷裂韌性和耐熱沖擊性意味著燒結氮化硅可以切割鑄鐵,硬鋼和鎳基合金。

                                                        ??陶瓷刀具

      電子產品:通常用作制造集成電路中的絕緣體和化學屏障,以電隔離不同結構或作為體微機械加工中的蝕刻掩模。 作為微芯片的鈍化層,它優于二氧化硅,因為它是對水分子和鈉離子的顯著更好的擴散阻擋,微電子學的兩個主要腐蝕源和不穩定性。

      芯銅線電力電纜,每個核心都有獨立的彩色絕緣護套,均包含在外部保護套內。

      在高壓懸掛塔上懸掛絕緣子絕緣子串(圓盤的垂直線)。

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