Какие существуют технологические методы производства керамики из нитрида кремния

---

Керамика из нитрида кремния (Si3N4) известны как "универсальная керамика" благодаря своим превосходным комплексным свойствам. Она обладает такими преимуществами, как высокая прочность, высокая твердость, отличная износостойкость, исключительная устойчивость к тепловому удару (выдерживает резкие перепады температур), хорошая химическая стабильность и низкая плотность. Эти характеристики делают ее идеальным материалом для решения технических проблем в экстремальных условиях работы, широко используемым в таких областях, как аэрокосмическая и автомобильная промышленность, машиностроение, производство электронных полупроводников и здравоохранение.
Однако получение керамических изделий из нитрида кремния с такими превосходными свойствами требует ряда точных и сложных процессов подготовки.

Основное сырье: Подготовка порошка нитрида кремния
Отправной точкой всей высокопроизводительной керамики является высококачественный порошок. Метод синтеза порошка нитрида кремния напрямую определяет его чистоту, гранулометрический состав и активность при спекании, что, в свою очередь, влияет на характеристики конечного продукта.

1. Метод термического восстановления углерода
   Процесс: Смешайте порошок диоксида кремния (SiO ₂) с порошком углерода (C) и проведите реакцию при высоких температурах 1400-1550 ℃ в атмосфере азота (N ₂). Химическое уравнение: 3SiO ₂+6C+2N ₂ → Si ∝ N ₄+6CO.
   Характеристики: Благодаря широкому выбору источников сырья и низкой стоимости этот метод в настоящее время является самым распространенным в промышленном производстве. Удельную поверхность и морфологию частиц порошка можно регулировать, контролируя параметры процесса.
2. Метод прямого азотирования
   Процесс: Металлический порошок кремния (Si) высокой чистоты напрямую реагирует с азотом при высокой температуре (1200-1400 ℃), в результате чего образуется нитрид кремния: 3Si+2N ₂ → Si ∝ N ₄.
   Характеристики: Процесс прост, но реакция является сильной экзотермической реакцией, которая требует точного контроля температуры, чтобы предотвратить плавление и комкование кремниевого порошка. Полученный порошок обычно необходимо измельчить и перемолоть, прежде чем его можно будет использовать.
3. Метод разложения имина кремния
   Процесс: Тетрахлорид кремния (SiCl ₄) реагирует с газообразным аммиаком (NH3) в инертном растворителе, образуя кремниевый имин. После промывки, сушки и прокаливания получается порошок нитрида кремния высокой чистоты.
   Особенности: Он позволяет получать субмикронные порошки со сверхвысокой чистотой и высокой активностью спекания, но его стоимость высока, в основном он используется в высокотехнологичных областях с чрезвычайно высокими требованиями к производительности.
4. Метод газофазной реакции
   Процесс: Использование силана (например, SiCl ₄ или SiH ₄) для газофазной реакции с аммиаком при высокой температуре, непосредственно создавая наноразмерный порошок нитрида кремния.
   Характеристики: Чистота порошка чрезвычайно высока, размер частиц мал и однороден, но техническая сложность высока, производительность низкая, а стоимость самая высокая.

Процесс формования: придание материалу предварительной формы
Преобразование порошка в заготовку определенной формы - важнейший этап производственного процесса. Выбор метода формовки зависит от формы, размера и требований к точности изделия.

1. Формование сухим прессованием
   Процесс: Смешайте порошок нитрида кремния с небольшим количеством органического связующего, загрузите его в металлическую форму и прессуйте в плотное тело с помощью однонаправленного или двунаправленного механического давления.
   Особенности: Высокая эффективность, низкая стоимость, высокая степень автоматизации, подходит для производства деталей простой формы и больших партий, таких как керамические шарики для подшипников, уплотнительные кольца и т.д.
   Решение проблем: Подходит для крупномасштабного, стандартизированного производства продукции, снижая стоимость отдельных деталей.
2. Изостатическое формование под давлением
   Процесс: Загрузите порошок в эластичную резиновую или пластиковую форму, запечатайте ее и поместите в контейнер высокого давления. Примените изотропное сверхвысокое давление (до 300 МПа и более) через жидкую или газовую среду, чтобы сделать заготовку однородной и плотной.
   Характеристики: Он позволяет получать крупные зеленые тела сложной формы, однородной плотности и изотропных свойств, избегая проблемы градиента плотности, которая может возникнуть при сухом прессовании.
   Решение проблем: Используется для производства высокопроизводительных, высоконадежных и сложных по форме компонентов, таких как большие тигли, радиаторы и изоляторы.
3. Литье под давлением
   Процесс: Смешайте порошок нитрида кремния с большим количеством (обычно до 30-50%) термопластичного связующего, гранулируйте и отправьте в машину для литья под давлением. Впрысните его в полость металлической пресс-формы в нагретом и расплавленном состоянии, охладите и расплавьте, чтобы получить "зеленое тело".
   Особенности: Он может формировать чрезвычайно сложные трехмерные формы, обладает высокой точностью размеров и не требует последующей механической обработки. Но последующий процесс требует длительного и сложного обезжиривания (удаления клея).
   Решение проблемы: Идеальное решение проблемы формования вблизи сетки сложных деталей неправильной формы, таких как роторы турбин, вихревые камеры двигателей и т.д., что значительно сокращает отходы материала и затраты на обработку.
4. Литьевая формовка
   Процесс: Растворите порошок в растворителе, добавьте связующие вещества, пластификаторы и т.д., чтобы получить однородную и стабильную суспензию. С помощью скребка литьевой машины соскребите тонкий слой суспензии на базовую ленту и высушите ее, чтобы сформировать непрерывное тонколистовое тело.
   Особенности: Специально разработан для производства ультратонкой и плоской листовой керамики.
   Решение проблем: В основном используется в области электронной промышленности, например, для подготовки керамических подложек из нитрида кремния, решения проблем теплоотвода и изоляции микросхем.

Процесс спекания: ключ к достижению конечных характеристик материалов
Спекание - это завершающий этап подготовки керамики, при котором порошковое тело уплотняется при высоких температурах для получения конечных механических и физических свойств. Из-за сильных ковалентных связей нитрид кремния трудно получить плотным путем твердофазного спекания, как оксидную керамику, поэтому необходимо использовать специальные технологии спекания.

1. Спекание под атмосферным давлением
   Процесс: Проводится в печи для спекания при нормальном атмосферном давлении. Для того чтобы способствовать спеканию, в порошок необходимо добавить вспомогательные вещества для спекания (такие как MgO, Y ₂ O3, Al ₂ O3 и т.д.), которые образуют жидкую фазу с SiO ₂ на поверхности нитрида кремния при высоких температурах и достигают уплотнения через жидкофазный механизм спекания.
   Особенности: Низкая стоимость, простое оборудование, подходит для производства изделий сложной и большой формы. В настоящее время это самый экономичный и широко используемый метод спекания.
   Решение проблем: Обеспечивает наиболее экономичное решение для большинства коммерческих применений, например, износостойкие детали, коррозионностойкие насадки и т.д.
2. Горячее прессование спекание
   Процесс: Загрузите порошок в графитовую форму и применяйте однонаправленную высокую температуру (обычно>1700 ℃) и высокое давление (20-40 МПа) одновременно в процессе спекания.
   Характеристики: Давление способствует перегруппировке и диффузии частиц, в результате чего получаются изделия с плотностью, близкой к теоретической, мелким размером зерна и чрезвычайно высокими механическими свойствами (особенно прочностью и вязкостью). Однако с его помощью можно получать только изделия простой формы в виде блоков или пластин, а стоимость их высока.
   Решение проблем: Используется для производства компонентов, требующих чрезвычайно высокой надежности, таких как подшипники для аэрокосмических двигателей и крышки гироскопов для систем наведения ракет.
3. Спекание под давлением
   Процесс: Это усовершенствованная версия атмосферного спекания. На поздней стадии спекания в полость печи подается азот под высоким давлением (1-10 МПа) для подавления разложения и испарения нитрида кремния при высоких температурах.
   Характеристики: Атмосфера высокого давления эффективно подавляет разложение материала, позволяя использовать более высокие температуры спекания, что приводит к более полному развитию зерен, превосходным характеристикам (высокая прочность, высокий модуль Вейбулла) и почти полностью плотным изделиям. С его помощью можно получать детали сложной формы с характеристиками, аналогичными горячему прессовому спеканию, но по более низкой цене, чем у последнего.
   Решение проблемы: Это предпочтительный метод производства высокопроизводительных керамических шариков для подшипников из нитрида кремния, позволяющий решить техническую проблему высокоскоростных, высоконагруженных и долговечных подшипников.
4. Реакционное спекание
   Процесс: Используя кремниевый порошок в качестве сырья, заготовка изготавливается по вышеописанной технологии формования, а затем подвергается азотированию в атмосфере азота. Азот проникает внутрь заготовки и вступает в реакцию с кремнием, образуя нитрид кремния, тем самым скрепляя заготовку.
   Характеристики: В процессе азотирования изменение размеров минимально (<0,1%), и могут быть получены высокоточные изделия почти чистой формы. Однако продукт содержит небольшое количество непрореагировавшего свободного кремния, что приводит к низкой плотности (около 80%) и значительно более низким механическим свойствам (особенно прочности) по сравнению с другими методами спекания.
   Решение проблем: В основном используется для изготовления деталей сложной формы, с высокими требованиями к точности размеров, но с низким напряжением, таких как подъемные трубы, приспособления, оснастка и т.д. при обработке металлов плавлением.

Благодаря сочетанию и инновациям вышеперечисленных методов производства, керамика из нитрида кремния может быть адаптирована для удовлетворения высоких требований в различных областях. От снижения затрат при атмосферном спекании до достижения максимальных характеристик при горячем прессовании и спекании под давлением, а также до обеспечения точности размеров при реакционном спекании - каждый процесс способствует решению конкретных промышленных проблем и продолжает стимулировать технологический прогресс в высокотехнологичном производстве.

Керамика Brudeze поставляет и продает широкий ассортимент высококачественного кварцевого стекла, включая глиноземистую керамику, циркониевую керамику, керамику из нитрида кремния, керамику из нитрида алюминия, керамику из карбида кремния, керамику из карбида бора, биокерамику, обрабатываемую керамику и т.д. Мы можем удовлетворить требования заказчика к различным керамическим изделиям.