氮化硅结构与性能

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

氮化硅结构与性能的相关性

随着工业与科技的发展,对优良的工艺性能材料有着越来越高的要求。Si3N4是一种新型的高温结构陶瓷材料,具有优良的化学性能,兼有抗热震性好,高温蠕变小,对多种有色金属融体不润湿,硬度高,具有自润滑性,已广泛应用到切削刀具、冶金、航空、化工等行业之中。

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=0.7606 nm,c=0.2909 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=0.775nm,c=0.5618),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。

相关文档
最新文档