Description des neuf principales performances des matériaux en nitrure de silicium

Neuf caractéristiques majeures des matériaux en nitrure de silicium

1. Composition et structure

La formule moléculaire du nitrure de silicium est Si ₃ N ₄ , qui est un composé de liaison covalente. Les céramiques de nitrure de silicium sont des matériaux polycristallins et leur structure cristalline appartient au système hexagonal. Généralement divisé en deux orientations cristallines, α et β, toutes deux composées de [SiN ₄ ] ⁴ -tétraèdre. β-Si ₃ N ₄ a une symétrie élevée et un petit volume molaire. C'est une phase thermodynamiquement stable à température relative, tandis que α-Si ₃ N ₄ est relativement facile à former dynamiquement. À des températures élevées (1 400 ℃ ~ 1 800 ℃), la phase α subira un changement de phase pour devenir un type β. Ce changement de phase est irréversible, la phase α est donc propice au frittage.

2. Apparence

Le nitrure de silicium obtenu à partir de différentes phases cristallines a des apparences différentes. α-Si ₃ N ₄ est une laine lâche blanche ou blanc grisâtre ou en forme d'aiguille, et β-"Si ₃ N ₄ est de couleur plus foncée et apparaît comme un polyèdre granulaire dense ou un prisme court. Les moustaches des céramiques de nitrure de silicium sont transparentes ou translucides et leur apparence est grise, bleu-gris à gris-noir, qui varie en fonction de la densité et du rapport relatif, et présente également d'autres couleurs dues aux additifs. La surface des céramiques de nitrure de silicium a un éclat métallique après polissage.

3. Densité et densité

La densité théorique du nitrure de silicium est de 3100 ± 10 kg/m ³ . La véritable densité réelle mesurée de l'α-Si ₃ N ₄ soit 3184 kg/m ³ , et la véritable densité du β-Si ₃ N ₄ soit 3187 kg/m ³ . La densité apparente des céramiques de nitrure de silicium varie considérablement selon le procédé, généralement supérieure à 80 % de la densité théorique, allant de 2 200 à 3 200 kg/m. ³ . La principale raison de la différence de densité est la porosité. La porosité du nitrure de silicium fritté par réaction est généralement d'environ 20 % et la densité est de 2 200 à 2 600 kg/m. ³ , tandis que la porosité du nitrure de silicium pressé à chaud est inférieure à 5 % et que la densité est de 3 000 à 3 200 kg/m ³ Comparé à d'autres matériaux ayant des utilisations similaires, sa densité est non seulement inférieure à celle de tous les alliages à haute température, mais également l'une des plus faibles en densité parmi les céramiques structurelles à haute température.

4. Isolation électrique

Les céramiques de nitrure de silicium peuvent être utilisées comme matériaux isolants à haute température et leurs indicateurs de performance dépendent principalement de la méthode de synthèse et de la pureté. Le silicium non nitruré présent dans le matériau, ainsi que les impuretés telles que les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux, le fer, le titane, le nickel, etc. introduites lors du processus de préparation, détérioreront les propriétés électriques des céramiques de nitrure de silicium. Généralement, la résistance spécifique des céramiques de nitrure de silicium dans le milieu sec à température ambiante est de 1 015 à 1 016 ohms et la constante diélectrique est de 9,4 à 9,5. À haute température, les céramiques de nitrure de silicium conservent une valeur de résistance spécifique relativement élevée. Avec l’amélioration des conditions de procédé, le nitrure de silicium peut entrer dans les rangs des diélectriques couramment utilisés.

V. Propriétés thermiques

Le coefficient de dilatation thermique du nitrure de silicium fritté est faible, soit 2,53 × 10-6/℃, et la conductivité thermique est de 18,42 W/m·K. Il présente une bonne résistance aux chocs thermiques, juste derrière le quartz et le verre microcristallin. Selon des rapports expérimentaux, un échantillon de nitrure de silicium fritté par réaction d'une densité de 2 500 kg/m ³ a été refroidi de 1 200 ℃ à 20 ℃ et il ne s'est pas fissuré après des milliers de cycles thermiques. Les céramiques de nitrure de silicium ont une bonne stabilité thermique et peuvent être utilisées longtemps à des températures élevées. La température d'utilisation en atmosphère oxydante peut atteindre 1 400 ℃, et la température d'utilisation en atmosphère neutre ou réductrice peut atteindre 1 850 ℃.

VI. Propriétés mécaniques

Le nitrure de silicium possède une résistance mécanique élevée. La résistance à la flexion des produits généraux pressés à chaud est de 500 à 700 MPa et la haute résistance peut atteindre 1 000 à 1 200 MPa ; la résistance à la flexion après frittage par réaction est de 200 MPa et la haute résistance peut atteindre 300 ~ 400 MPa. Bien que la résistance à température ambiante des produits frittés par réaction ne soit pas élevée, sa résistance ne diminue pas à des températures élevées de 1 200 à 1 350 ℃. Le nitrure de silicium présente un faible fluage à haute température. Par exemple, la charge de nitrure de silicium fritté par réaction à 1 200 ℃ est de 24 MPa et la déformation est de 0,5 % après 1 000 heures.

VII. Coefficient de frottement et autolubrification

Le coefficient de frottement des céramiques de nitrure de silicium est faible et l'augmentation du coefficient de frottement est également faible dans des conditions de température et de vitesse élevées, ce qui peut assurer le fonctionnement normal du mécanisme. Il s’agit d’un avantage important des céramiques au nitrure de silicium. Lorsque les céramiques de nitrure de silicium commencent à s'user, le coefficient de frottement de glissement atteint 1,0 à 1,5. Après meulage de précision, le coefficient de frottement est fortement réduit et reste inférieur à 0,5. Par conséquent, les céramiques de nitrure de silicium sont considérées comme ayant des propriétés autolubrifiantes. Contrairement au graphite, au nitrure de bore et au talc, la principale raison de cette autolubrification réside dans la structure en couches du matériau. Sous pression, la surface de friction se décompose légèrement pour former un mince film d'air, ce qui réduit la résistance au glissement entre les surfaces de friction et augmente la douceur de la surface de friction. De cette façon, plus le frottement est important, plus la résistance est faible et l'usure est particulièrement faible. Après un frottement continu, le matériau a tendance à augmenter progressivement son coefficient de frottement en raison de l'usure de la surface ou du ramollissement dû à l'augmentation de la température.

VIII. Usinabilité

Les céramiques de nitrure de silicium peuvent être usinées selon la forme, la précision et la finition de surface souhaitées.

IX. Stabilité chimique

Le nitrure de silicium a de bonnes propriétés chimiques et peut résister à la corrosion de tous les acides inorganiques, à l'exception de l'acide fluorhydrique et de la solution d'hydroxyde de sodium à moins de 25 %. Sa température de résistance à l'oxydation peut atteindre 1 400 ℃ et sa température d'utilisation dans une atmosphère réductrice peut atteindre 1 870 ℃. Il ne mouille pas sur les métaux (notamment l'aluminium liquide) et l'est encore plus sur les non-métaux.

À partir des propriétés physiques et chimiques ci-dessus des céramiques de nitrure de silicium, on peut voir que les bonnes performances des céramiques de nitrure de silicium ont une valeur d'application particulière pour l'environnement de travail des milieux à haute température, haute vitesse et fortement corrosifs souvent rencontrés dans la technologie moderne. Ses avantages remarquables sont :

Il comporte les points suivants :

(1) Haute résistance mécanique et dureté proche du corindon. La résistance à la flexion à température ambiante du nitrure de silicium pressé à chaud peut atteindre 780-980 MPa, certains sont même plus élevés que l'acier allié, et la résistance peut être maintenue jusqu'à 1 200 ℃ sans dégradation.

(2) Autolubrification mécanique, faible coefficient de frottement de surface, résistance à l'usure, module d'élasticité élevé et résistance aux températures élevées.

(3) Faible coefficient de dilatation thermique, conductivité thermique élevée et bonne résistance aux chocs thermiques.

(4) Faible densité et faible densité.

(5) Résistance à la corrosion et résistance à l’oxydation.

(6) Bonne isolation électrique.