К какому материалу относится керамика из нитрида кремния

---

Керамика на основе нитрида кремния, как новый тип передового керамического материала, постепенно демонстрирует свои превосходные характеристики и широкие перспективы применения в различных областях промышленности.

Основные характеристики керамики из нитрида кремния
Керамика на основе нитрида кремния - это неорганический материал, получаемый путем синтеза порошка нитрида кремния высокой чистоты при высоких температурах и под высоким давлением. Его химическая формула - Si3N4, который является ковалентным соединением. Основной структурной единицей является тетраэдр [SiN4], в центре которого расположены атомы кремния, а в четырех вершинах тетраэдра - четыре атома азота. Эти тетраэдры, в форме совместного использования одного атома на каждые три, образуют непрерывную и прочную сетевую структуру в трехмерном пространстве, наделяя керамику из нитрида кремния рядом превосходных свойств, таких как высокая прочность, низкая плотность и высокая термостойкость.
Керамика из нитрида кремния обладает чрезвычайно высокой твердостью, немногим уступающей алмазу, и при этом обладает такими превосходными свойствами, как высокая прочность, высокая вязкость, низкая плотность, устойчивость к высоким температурам, коррозионная стойкость, устойчивость к окислению, низкий удельный вес и устойчивость к тепловому удару. Эти характеристики делают керамику на основе нитрида кремния одним из самых совершенных конструкционных керамических материалов, который в настоящее время называют "универсальной керамикой", "черной керамической сталью" и "жемчужиной на короне передовых керамических материалов".

Типы керамики из нитрида кремния
В зависимости от структуры, метода синтеза, морфологии и т.д. карбида кремния, керамика из нитрида кремния может быть разделена на различные типы, включая волокна из нитрида кремния, нано-нитрид кремния, композиционные материалы из нитрида кремния, тонкие пленки из нитрида кремния и керамические шарики из нитрида кремния. Каждый тип имеет свои уникальные характеристики и назначение:
Волокно из нитрида кремния: Обладая высокими эксплуатационными характеристиками, высокой текучестью, стойкостью к химической коррозии и высокой температуре, это идеальный материал для высокотемпературных компонентов, таких как аэрокосмические и автомобильные двигатели.
Нано нитрид кремния: Обладает высокой прочностью на разрыв, растяжение, износостойкостью, может уменьшить внутреннее трение, улучшить динамическую механику и сопротивление тепловому старению резины. Его можно использовать для изготовления керамики, деталей двигателей и режущих инструментов, а также в качестве материала для защиты от коррозии и электромагнитных полей.
Композитный материал на основе нитрида кремния: Обладает такими характеристиками, как термостойкость, низкий диэлектрический коэффициент и сопротивление ползучести, и широко используется для изготовления кожухов антенн для высокоэффективных ракет с антиокислительными свойствами.
Тонкая пленка нитрида кремния: Обладает превосходными оптоэлектронными свойствами, высокой химической стабильностью, устойчивостью к диффузии примесей и проникновению паров воды.
Керамический шарик из нитрида кремния: Обладая высокой твердостью, высокой износостойкостью, коррозионной стойкостью, высокой термостойкостью, малым весом, высокой точностью обработки, самосмазывающимися свойствами, изоляционными свойствами и другими характеристиками, он является предпочтительным материалом для керамических подшипников и гибридных керамических шарикоподшипников.

Методы приготовления керамики из нитрида кремния
Методы получения керамики из нитрида кремния в основном включают реакционное спекание, спекание горячим прессованием, спекание при атмосферном давлении, спекание при атмосферном давлении и т.д. Керамика из нитрида кремния, полученная разными методами, имеет различные микроструктуры и свойства:
Метод реакционного спекания: Сначала кремниевый порошок прессуется в нужную форму зеленого тела, а затем проводится предварительная азотированная спекательная обработка в печи азотирования, в результате чего часть кремниевого порошка вступает в реакцию с азотом, образуя нитрид кремния. Этот метод имеет более низкую стоимость, но более длительное время азотирования, что делает его подходящим для изготовления деталей сложной формы и точных размеров.
Метод спекания горячим прессованием: Порошок нитрида кремния и небольшое количество добавок (таких как MgO, Al2O3 и т.д.) подвергаются горячему прессованию и спеканию под высоким давлением (более 1916 МПа) и при высокой температуре (более 1600 ℃). Керамика из нитрида кремния, полученная этим методом, обладает отличными механическими свойствами, высокой прочностью и плотностью, однако требует больших затрат на производство и сложного оборудования для спекания.
Метод спекания при атмосферном давлении: Спекание осуществляется при более низком давлении (обычно при 1 атм) и более высокой температуре (1700, 1800 ℃), а затем спекание под давлением при более высоких температурах (1800, 2000 ℃). Производительность керамики из нитрида кремния, полученной этим методом, несколько ниже, чем при спекании методом горячего прессования, но стоимость ниже.
Метод спекания под давлением: Спекание осуществляется под высоким давлением азота (1-10 МПа) и при температуре (около 2000 ℃). Этот метод может подавить высокотемпературное разложение нитрида кремния, способствовать уплотнению керамической структуры и повысить прочность керамики.

Области применения керамики из нитрида кремния
Керамика из нитрида кремния широко используется в различных областях благодаря своим превосходным свойствам:
Механическая промышленность: используется для производства ключевых компонентов, таких как режущие инструменты, керамические подшипники, роторы турбин и т.д., для повышения износостойкости, устойчивости к высоким температурам и срока службы механического оборудования.
Автомобильная промышленность находит широкое применение в таких компонентах двигателя, как клапаны, прокладки коромысел, уплотнения, лопатки турбин, сварочные приспособления и т.д., открывая новую эру для разработки новых высокотемпературных конструкционных материалов.
Аэрокосмическая промышленность: Используется для изготовления высокотемпературных структурных компонентов и антиокислительных слоев для космических аппаратов, улучшая их термостойкость и антиокислительные свойства.
Электронная промышленность: используется для производства упаковочных материалов для электронных устройств, таких как теплоотводящие подложки, изоляционные кольца, защитные пластины и компоненты полупроводникового технологического оборудования.
Биомедицина: используется в качестве материала для имплантатов человека благодаря хорошей биосовместимости, костной проводимости и сродству с биологическими тканями, такими как клетки.

Керамика на основе нитрида кремния, как новый тип неорганического материала с превосходными комплексными характеристиками, демонстрирует широкие перспективы применения и огромный потенциал развития во многих областях.