氮化硅結(jié)構(gòu)與性能

1、氮化硅結(jié)構(gòu)與性能的相關(guān)性隨著工業(yè)與科技的發(fā)展，對優(yōu)良的工藝性能材料有著越來越高的 要求。Si3N4是一種新型的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，具有優(yōu)良的化學(xué)性能， 兼有抗熱震性好，高溫蠕變小，對多種有色金屬融體不潤濕，硬度高， 具有自潤滑性，已廣泛應(yīng)用到切削刀具、冶金、航空、化工等行業(yè)之 中。Si3N4是以共價鍵為主的化合物，鍵強(qiáng)大，鍵的方向性強(qiáng)，結(jié)構(gòu) 中缺陷的形成和遷移需要的能量大，即缺陷擴(kuò)散系數(shù)低（缺點(diǎn)），難 以燒結(jié)，其中共價鍵Si-N成分為70 %，離子鍵為30 %，同時由于 Si3N4本身結(jié)構(gòu)不夠致密，從而為提高性能需要添加少量氧化物燒結(jié) 助劑，通過液相燒結(jié)使其致密化。Si3N4含有兩種晶型，一種為

2、a -Si3N4，針狀結(jié)品體，呈白色或灰 白色，另一種為。-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，都是以SiN44-四面體共用頂角構(gòu)成的三維 空間網(wǎng)絡(luò)。在高溫狀態(tài)下，P相在熱力學(xué)上更穩(wěn)定，因此a相會發(fā)生相變， 轉(zhuǎn)為P相。從而高a相含量Si3N4粉燒結(jié)時可得到細(xì)品、長柱狀p -Si3N4晶粒，提高材料的斷裂韌性。但陶瓷燒結(jié)時必須控制顆粒的異 常生長，使得氣孔、裂紋、位錯缺陷出現(xiàn)，成為材料的斷裂源。在工業(yè)性能上，Si3N4陶瓷材料表現(xiàn)出了較好的工藝性能。（1） 機(jī)械強(qiáng)度高，硬度接近于剛玉，有自潤滑性耐磨；（2）熱穩(wěn)定性高， 熱膨脹系數(shù)小，有良好的導(dǎo)熱性能；（3）

3、化學(xué)性能穩(wěn)定，能經(jīng)受強(qiáng)烈的輻射照射等等。品體的常見參數(shù)如下圖所示:表1氮化硅的晶格常數(shù)和密度Tab. 1 Lattice constant and bulk density of silicon nitride相晶格常數(shù)(A)單位晶胞分子數(shù)密度(g/cn?)aca - S13N47.748 0.0015.617 0. 00143. 184。-S13N47.608 0.0012.910 0.000523. 187表2氮化硅的基本性質(zhì)Tab. 2 Basic properties of silicon nitride物質(zhì)晶系分解溫度(C)莫氏硬度 密度(g/cn?)導(dǎo)熱率(W/m -K)電阻率(Q

4、 -m)熱膨脹系數(shù)(/ C)氮化硅六方1 90093.1849.4610”10”2. 7 X10 6(201000 QSi3N4分子中Si原子和周圍4個N原子以共價鍵結(jié)合，形成Si-N4 四面體結(jié)構(gòu)單元，所有四面體共享頂角構(gòu)成三維空間網(wǎng)，形成Si3N4, 有兩種相結(jié)構(gòu)，a相和。相如下圖所示：o相結(jié)構(gòu)。相結(jié)構(gòu)其共價鍵長較短，成鍵電子數(shù)日多，原子間排列的方向性強(qiáng)，相 鄰原子間相互作用大Si3N4存在兩種由Si-N4四面體結(jié)構(gòu)以不同的堆 砌方式堆砌而成的三維網(wǎng)絡(luò)品形，一個是a-Si3N4,另一個是P-Si3N4o 正是由于Si-N4四面體結(jié)構(gòu)單元的存在，Si3N4具有較高的硬度。在 P-Si3N4的

5、一個品胞內(nèi)有6個Si原子，8個N原子。其中3個Si原子和4 個N原子在一個平面上，另外3個Si原子和4個N原子在高一層平面上。 第3層與第1層相對應(yīng)，如此相應(yīng)的在C軸方向按ABAB.重復(fù)排列， P-Si3N4的品胞參數(shù)為a=0.7606 nm，c=0.2909 nm。a-Si3N4中第3層、 第4層的Si原子在平面位置上分別與第1層、第2層的Si原子錯了一個 位置，形成4層重復(fù)排列，即ABCDABCD方式排列。相對。-Si3N4 而言,a-Si3N4品胞參數(shù)變化不大，但在。軸方向約擴(kuò)大一倍(a=0.775nm，c=0.5618)，其中還含有3%的氧原子以及許多硅空位， 因此體系的穩(wěn)定性較差，這使a相結(jié)構(gòu)的四面體品形發(fā)生畸變，而。 相在熱力學(xué)上更穩(wěn)定。由于氧原子在a相中形成Si-O-S