氮化硅陶瓷的生产与应用.docVIP

氮化硅陶瓷的生产与应用 氮化硅的特性 氮化硅陶瓷材料具有热稳定性高、抗氧化能力强以及产品尺寸精确度高等优良性能。由于氮化硅是键强高的共价化合物，并在空气中能形成氧化物保护膜，所以还具有良好的化学稳定性，1200℃以下不被氧化，1200~1600℃生成保护膜可防止进一步氧化，并且不被铝、铅、锡、银、黄铜、镍等很多种熔融金属或合金所浸润或腐蚀，但能被镁、镍铬合金、不锈钢等熔液所腐蚀。氮化硅陶瓷材料可用于高温工程的部件，冶金工业等方面的高级耐火材料，化工工业中抗腐蚀部件和密封部件，机械加工工业的刀具和刃具等。由于氮化硅与碳化硅、氧化铝、二氧化钍、氮化硼等能形成很强的结合，所以可用作结合材料，以不同配比进行改性。此外，氮化硅还能应用到薄膜太阳能电池中。用PECVD法镀氮化硅膜后，不但能作为减反射膜可减小入射光的反射，而且，在氮化硅薄膜的沉积过程中，反应产物氢原子进入氮化硅薄膜以及硅片内，起到了钝化缺陷的作用。 二氮化硅的生产工艺及方法 氮化硅陶瓷制品的生产方法有两种，即反应烧结法和热压烧结法。反应烧结法是将硅粉或硅粉与氮化硅粉的混合料按一般陶瓷制品生产方法成型。然后在氮化炉内，在1150~1200℃预氮化，获得一定强度后，可在机床上进行机械加工，接着在1350~1450℃进一步氮化18~36h，直到全部变为氮化硅为止。这样制得的产品尺寸精确，体积稳定。热压烧结法则是将氮化硅粉与少量添加剂（如MgO、Al2O3、MgF2、AlF3或Fe2O3等），在19.6MPa以上的压力和1600~1700℃条件下压热成型烧结。通常热压烧结法制得的产品比反应烧结制得的产品密度高，性能好。附表1中列出了这两种方法生产的氮化硅陶瓷的性能。 （一）反应烧结法生产Ｓｉ３Ｎ４ 采用一级结晶硅块，在球磨中湿磨，酒精作研磨介质，磨至小于０.０７ｍｍ。然后净化原料，配料制成坯体。成型方法可采用浇注法、模压法，热压注法或等静压成型方法等。成型时要使素坯密度达到一定要求。 素坯先在氮化炉中进行氮化处理，可采用钼丝电炉或二硅化钼棒电炉。炉膛要密封严紧，以保证抽真空和使用的安全性。硅和氮在约９７０～１０００℃开始反应，并随着温度升高反应速率加快。但如果温度很快上升超过硅熔点时，则坯体会由于硅熔融而坍塌。故必须在远低于熔点的温度中预先氮化。氮化炉内为９５％氮气和５％氢气混合气氛，在１１８０～１２１０℃下氮化１～１?５小时。氮化程度约为９％，炉内垫板为氮化硅质材料。 素烧后的坯体进行机械加工时，要避免与水接触、进刀和车速不宜太快，将坯品加工至成品所需尺寸。 最后进行氮化烧成。氮化温度可采用低于硅熔点（１４２０℃）和高于硅熔点分阶段保温氮化方法。一种是在１２５０℃氮化保温一段时间，使硅颗粒表面生成交织状的α—氮化硅单晶粒，填满坯体中硅颗粒之间的孔隙，整个坯体具有一定强度。然后于１３５０～１４００℃下长时间氮化，通过氮气——固相硅颗粒反应，使原来形成的网络结构的氮化硅继续发育长大、致密。另一种是在１２５０℃氮化保温一段时间后，于１４５０℃氮化保温一段时间，此时硅熔成液体、反应速率很快，生成的氮化硅为硬度、密度较高的颗粒状，分散于低温生成的网络状氮化硅内。 氮化时间：在１２５０℃时氮化４小时，１３５０℃时氮化８小时，氮化程度达５１％，继续在１３５０℃氮化２８小时，氮化程度只增加１０％，在１４５０℃氮化２小时即可完全氮化。通常应为：１２５０℃时氮化４～１０小时，１３５０℃２４～３６小时，１４５０℃６～１２小时。 氮化气氛：由于氮与硅反应为放热反应，氮化初期反应很快，产生的大量热量会使局部温度超过硅的熔点而使其熔融渗出，故升温至１０００℃时，同时通入氩气（占氮气量的２／３），到１３５０℃保温一段时间后停止供氩气，恢复９５％氮气和５％氢气气氛，这样可以用氩气来缓冲过快的反应速度。 反应烧结法制得的氮化硅制品体积密度为１．８～２．７ｇ／ｃｍ３，气孔率较高、强度不高，但适宜制作形状复杂的制品。 （二）热压法生产Ｓｉ３Ｎ４制品 将硅粉于氮化炉中氮化，得到氮化硅后进行粉碎，作为热压用原料。为提高氮化硅粉纯度，可先氮化一次，然后粉碎净化处理。进行二次氮化，细磨，用于热压制品。 将５％左右的ＭｇＯ、镁的化合物或Ｙ２Ｏ３等添加剂加入氮化硅粉中，以酒精作介质，于球磨中充分湿混。热压模为石墨质的，模内壁上涂一层氮化硼粉，将氮化硅混合料装入模内，于１７５０～１８５０℃、压力为２５～５０ＭＰａ的感应加热或辐射中热的热压炉内热压烧结。采用热压法制得的氮化硅制品密度在３．１２～３．２ｇ／ｃｍ３，远高于反应烧结法，强度亦很高。 （三）氮化硅的特性与用途 氮化硅有两种变体形式：①在１２００～１３００℃氮化获得的低温型α—氮化硅：②在１４４５℃左右氮化获得的β—氮化硅。氮化硅陶