Нитридная керамика

Нитриды – это обширный класс соединений металлов и неметаллов с азотом, имеющих общую формулу М_nN_m. Как правило, они представляют собой «фазы внедрения», обладают металлическим блеском, электропроводностью и большой твёрдостью. Вместе с тем, известны нитриды, являющиеся диэлектриками, имеющими слоистую цепочечную структуру.

Для изготовления керамики используется нитрид бора ВN, нитрид алюминия AlN и нитрид кремния Si₃N.

6.3.2.1. Нитрид бора образует три кристаллические модификации: a-ВN (гексагональный), b-ВN (кубический) и g-BN (гексагональный плотноупакованный). a-ВN обладает графитоподобной структурой, близкими механическими свойствами, поэтому часто его называют “белым графитом” или “белой сажей”. Он часто используется как наполнитель резин и пластмасс, как сырьё для синтеза порошков кубического нитрида бора. Кубический b-ВN («боразон», «эльбор») обладает высокой твёрдостью и является основным компонентом при производстве абразивного и режущего инструмента, для изготовления специальной керамики (ракетная техника) и др.

Для получения керамики чаще используют a-ВN. Горячее прессование проводят при 1800 – 1900 ^оС и давлении 30 – 40 МПа в среде азота. Такая керамика имеет достаточно высокую теплопроводность – 55 Вт/м^.К, e = 4,2, tgd = 4^.10^-4, r_v = 1 – 100^.10¹³ Ом^.см.

- Более высокими физико-химическими свойствами обладает пиролитически осаждённый ВN и керамика на его основе. Она имеет более высокую плотность, (достигает теоретических значений) более высокое электросопротивление, более высокую прочность (s_изг = 200 МПа), более устойчива к агрессивным средам, коэффициент теплопроводности может достигать 122 Вт/м^.К, КЛТР 2 – 20 ^. 10^-6 К^-1. Применяется в качестве эффективной газонепроницаемой и вакуумплотной электроизоляции, высокотемпературного диэлектрика, контейнера для выращивания монокристаллов полупроводниковых соединений, в качестве защитных покрытий различных деталей, работающих в контакте с расплавами или агрессивными газами.

- 6.3.2.2. Нитрид алюминия.

- Нитрид алюминия АlN – единственное соединение азота с алюминием. Основным методом получения АlN является прямой синтез из простых веществ при температурах 800 – 1200 ^оС:

- 2Аl + N₂ = 2AlN.

Разработаны также методы получения AlN из Al₂O₃, галогенидов алюминия, гексафторалюмината аммония (NH₄)₃AlF_6..

Ренгеновская плотность AlN – 3270 кг/м³, энтальпия образования –320 Дж/моль, температура плавления (под давлением азота) 2400 ^оС. В обычных условиях AlN разлагается при 1900 – 2000 ^оС. Нитрид алюминия обладает твёрдостью по шкале Мооса = 9, по электрическим свойствам является диэлектриком, ширина запрещённой зоны в зависимости от чистоты продукта составляет от 3,8 до 5 эВ.

Ковалентный характер связи Аl – N является причиной трудной спекаемости порошков AlN. Для облегчения спекания в шихту добавляют оксиды щелочно-земельных или редко-земельных элементов. Это позволяет достигать высокой теплопроводности керамики – до 160 – 190 Вт/м^.К, а в особых случаях – до 240 – 260 Вт/м^.К. Это обеспечивает высокую стойкость керамики к термоударам.

Высокоплотная керамика из AlN в инертной атмосфере может эксплуатироваться до 1800^оС, на воздухе – лишь до 1300 – 1400 ^оС. Перспективным является применение керамики из AlN для изготовления подложек интегральных схем (ИС).

6.3.2.3. Керамика на основе нитрида кремния Si₃N₄

Si₃N₄ – единственное устойчивое в твёрдом состоянии соединение Si и N. Синтезируют нитрид кремния различными методами, в том числе прямым синтезом из простых веществ: 3Si + 2N₂ =Si₃N₄. Энтальпия образования = -750 Дж/моль.

Si₃N₄ образует 2 кристаллические модификации - a и b, обе принадлежат гексагональной системе, построены из тетраэдров. В керамическом производстве используется только a-модификация. Её рентгеновская плотность 3184 кг/м³, твёрдость по шкале Роквелла – 99. При нагревании выше ~ 1900 ^оС происходит сублимация Si₃N₄. Теплопроводность кристаллов Si₃N₄ составляет ~25 Вт/м^.К, спечённой керамики - 10 Вт/м^.К, КЛТР керамики = 2,6^.10^-6 К^-1. Механические характеристики этой керамики имеют средние значения: модуль Юнга ~ 160 ГН/м², предел прочности при растяжении ~ 75МН/м², предел прочности на сжатие ~ 350 МН/м². Si₃N₄ обладает исключительно высокой химической стойкостью. Это определяет использование данной керамики в качестве агнтикоррозионного материала с высокой термической стойкостью, удовлетворительными механическими и теплофизическими свойствами, в частности, для изготовления многих деталей поршневых двигателей (цилиндры, поршни, детали шатунного механизма, крыльчатки турбокомпрессора, форкамеры, толкатели и др.), для изготовление многих деталей машин для литья алюминия под давлением.

Дата добавления: 2014-12-26