文档介绍：氮化硅陶瓷
氮化硅(Si3N4)是氮和硅的化合物。在自然界里,氮、硅都是极其普通的元素。氮是生命的基础,硅是无机世界的主角,这两种元素在我们生活的世界上无所不在,然而,至今人们还未发现自然界里存在这两种元素的化合物。
Si3N4是以共价键为主的化合物,键强大,键的方向性强,结构中缺陷的形成和迁移需要的能量大,即缺陷扩散系数低(缺点),难以烧结,其中共价键Si-N成分为70 %,离子键为30 %,同时由于Si3N4本身结构不够致密,从而为提高性能需要添加少量氧化物烧结助剂,通过液相烧结使其致密化。
Si3N4含有两种晶型,一种为α-Si3N4,针状结晶体,呈白色或灰白色,另一种为β-Si3N4,颜色较深,呈致密的颗粒状多面体或短棱柱体。两者均为六方晶系,都是以[SiN4]4-四面体共用顶角构成的三维空间网络。
在高温状态下,β相在热力学上更稳定,因此α相会发生相变,转为β相。从而高α相含量Si3N4粉烧结时可得到细晶、长柱状β-Si3N4晶粒,提高材料的断裂韧性。但陶瓷烧结时必须控制颗粒的异常生长,使得气孔、裂纹、位错缺陷出现,成为材料的断裂源。
在工业性能上,Si3N4陶瓷材料表现出了较好的工艺性能。(1)机械强度高,硬度接近于刚玉,有自润滑性耐磨;(2)热稳定性高,热膨胀系数小,有良好的导热性能;(3)化学性能稳定,能经受强烈的辐射照射等等。
晶体的常见参数如下图所示:
Si3N4分子中Si原子和周围4个N 原子以共价键结合,形成[Si-N4]四面体结构单元,所有四面体共享顶角构成三维空间网,形成Si3N4,有两种相结构,α相和β相如下图所示:
α相结构
β相结构
其共价键长较短,成键电子数目多,原子间排列的方向性强,相邻原子间相互作用大。Si3N4存在两种由[Si-N4]
四面体结构以不同的堆砌方式堆砌而成的三
维网络晶形,一个是α-Si3N4,另一个是β-Si3N4。正是由于[Si-N4]四面体结构单元的存在,Si3N4具有较高的硬度。在β-Si3N4的一个晶胞内有6个Si原子,8个N 原子。其中3个Si 原子和4 个N原子在一个平面上,另外3个Si原子和4个N原子在高一层平面上。第3层与第1层相对应,如此相应的在C轴方向按ABAB…重复排列,β-Si3N4的晶胞参数为a= nm,c= nm。α-Si3N4中第3层、第4层的Si原子在平面位置上分别与第1层、第2层的Si原子错了一个位置,形成4 层重复排列,即ABCDABCD…方式排列。相对β- Si3N4 而言,α-Si3N4 晶胞参数变化不大,但在C 轴方向约扩大一倍(a=,c=),其中还含有3%的氧原子以及许多硅空位,因此体系的稳定性较差,这使α相结构的四面体晶形发生畸变,而β相在热力学上更稳定。由于氧原子在α相中形成Si-O-Si离子性较强的的键,这使α相中的[Si-N4]四面体易产生取向的改变和链的伸直,原子位置发生调整,使得α
相在温度达到1300 ℃以上时转变到β相,使其结构稳定。
(1)机械强度高,硬度接近于刚玉,有自润滑性,耐磨。室温抗弯强度可以高达980MPa以上,能与合金钢相比,而且强度可以一直维持到1200℃不下降。
(2)热稳定性好,热膨胀系数小,有良好的导热性