Die Siliziumnitridkeramik (SI3N4) hat eine ausgezeichnete Biegefestigkeit, thermische Stoßdämpferresistenz, Säure- und Alkali -Korrosionsbeständigkeit und thermische Leitfähigkeit und ist ein Schlüsselmaterial in Luft- und Raumfahrt, medizinischen Geräten, Elektrofahrzeugen und anderen Feldern. Untersuchungen zeigen, dass Siliziumnitridkeramik eine hohe theoretische thermische Leitfähigkeit aufweist. Siliziumnitrid ist eine starke kovalente Bindungsverbindung, und seine thermische Leitfähigkeit wird durch die thermische Schwingung des Gitters dominiert, und die Schlüsselfaktoren, die die thermische Leitfähigkeit der Keramik beeinflussen Gitterdefekte, insbesondere die Sauerstofffehler im Gitter. Oxidationsverhalten poröser und pulverisiertes Siliziumnitrid Die dynamische Oxidationsatmosphäre, eine poröse und pudrige Probe macht Siliziumnitrids oxidierter. Es gibt zwei Formen von Siliziumnitridpulver -Sauerstoff, eine soll eine Silica -Oxidschicht auf der Oberfläche bilden, und das andere ist, das Siliziumnitridgitter zu betreten, um Sauerstoffdefekte zu bilden. Beim Pulvervorbereitungsprozess beträgt der im Kristallgitter und auf der Oberfläche der Pulverpartikel adsorbierte Sauerstoff etwa 1 WT%. Bei hohen Temperaturen löst sich Sauerstoff im Gitter auf und ersetzt Stickstoffatome, um Siliziumletze zu bilden, wodurch Streuzentren während der Phononausbreitung bildet und die thermische Leitfähigkeit von Siliziumnitrid beeinflusst. Je niedriger der Sauerstoffgehalt des Pulvers ist, desto besser die umfassenden Eigenschaften der vorbereiteten Keramik. Wang Yuelong et al. Ausgewähltes Siliziumnitridpulver mit einem anfänglichen Sauerstoffgehalt von 1,21 WT% und oxidierte es bei unterschiedlichen Temperaturen bei 573K-1273K in fließender Luft. Variation des Sauerstoffgehalts von Siliziumnitridpulver mit Temperatur
Die Ergebnisse zeigen, dass das Siliziumnitridpulver eine gute Oxidationsresistenz aufweist, der Sauerstoffgehalt des Pulvers unter 1073K fast nicht zunimmt, der Sauerstoffgehalt des Pulvers steigt langsam zwischen 1073K und 1273K und der Sauerstoffgehalt steigt stark auf 1273K. Nachdem er 5H und 10 Stunden bei 1273K gehalten hatte, stieg der Sauerstoffgehalt von Siliziumnitridpulver auf 2,01 WT% bzw. 3,26 WT%, und die Dicke der Oberflächenoxidschicht stieg von 0,45 nm auf 1,05 nm und 2,31 nm. Durch theoretische Berechnung und XPS -Nachweis beträgt der Gitter -Sauerstoffgehalt von Siliziumnitridpulver etwa 0,5 WT%.
Er Fengmei fand durch die Untersuchung der porösen Si3n4, dass unter der statischen Luftatmosphäre der atmosphärischen Druck die Oxidationsreaktion von poröser Si3n4 sehr schwach ist; Über 800 ℃ ist die offensichtliche Oxidationsreaktion zu erkennen; Über 1000 ℃ wird die Oxidationsreaktion intensiviert und die Gewichtszunahme beschleunigt und erfolgt vorzugsweise an der Oberfläche und an der Außenporenwand und dann in den inneren Poren der Probe. Die Oxidationsreaktion wird durch chemische Kinetik an der Grenzfläche gesteuert. Darüber hinaus beschleunigt die dynamische Oxidationsatmosphäre bei gleicher Temperatur die Oxidation von Si3N4, insbesondere für poröse und pulverisierte Proben.
Oxidationsmechanismus
Ähnlich wie bei Siliziumcarbidmaterialien wird der Oxidationsmechanismus von Siliziumnitrid in aktive Oxidations- und passive Oxidationsmechanismus mit dem Unterschied des Sauerstoff -Partialdrucks und der Temperatur unterteilt. Die aktive Oxidation bezieht sich auf die Reaktion von Siliziumnitrid und Sauerstoff zur Herstellung von Siliziummonoxid und Stickstoff. Der passive Oxidationsmechanismus ist die Grundlage für die Übergangstemperaturanalyse, daher ist es notwendig, den passiven Oxidationsmechanismus von Siliziumnitrid ein klares Verständnis zu haben. Die Reaktionsformel lautet wie folgt:
Die Reaktion von Siliziumnitrid unter dem aktiven Oxidationsmechanismus ist hauptsächlich Formel (1), und die Reaktion unter dem passiven Oxidationsmechanismus ist hauptsächlich Formel (2). Einige Forscher stellten in dem Experiment fest, dass der passive Oxidationsmechanismus gleichzeitig reagiert (3). Zusätzlich kann die Reaktionsgleichung (4) an der Grenzfläche von SiO2 und Si3N4 auftreten.
Reaktionsmechanismus unter passivem Oxidationsmechanismus
Durch thermodynamische Berechnung haben Chen Siyuan et al. untersuchte den Anteil der Reaktionsformel (3) im passiven Oxidationsmechanismus bei einer bestimmten Temperatur und beim Druck und fand durch Experimente, dass das Verhältnis von NO zu N2 sehr gering war, so Nitrid ist nur Reaktionsformel (2). Der Anstieg der Temperatur und des Sauerstoffpartialdrucks an der Grenzfläche erhöht den Druck von NO, dh die Möglichkeit der Reaktion (3) erhöht sich.
In der Umgebung mit hoher Temperatur und dem partiellen Sauerstoff-Druck verwandelt sich Siliziumnitrid vom passiven Oxidationsmechanismus zu einem aktiven Oxidationsmechanismus, der SIO und N2 bildet, der oxidierende Film zerstört, der Antioxidationsmechanismus fällt aus, und das Material beginnt zu ablatieren. Die Oxidationsresistenz von Siliziumnitrid ist nach Ablation unwirksam, und die Wellenübertragung des Materials ist ernsthaft betroffen. Daher ist die Region, in der sich der Oxidationsmechanismus von Siliziumnitrid ändert, sehr wichtig, um seine Oxidationsresistenz und Wellenübertragung zu untersuchen.
Bei der gleichen Temperatur, wenn die Sauerstoffkonzentration abnimmt, ändert sich der Oxidationsmechanismus von Siliziumnitrid zur aktiven Oxidation. Wenn der Sauerstoff -Partialdruck konstant ist und die Oberflächentemperatur steigt, ändert sich der Oxidationsmechanismus von passiver Oxidation zur aktiven Oxidation.
Die Übergangstemperaturkurve von Siliziumnitrid unter unterschiedlichem Sauerstoffpartialdruck wurde von Chen et al. Die Kurve teilte die Oxidationsregion in den passiven Oxidationsbereich und die aktive Oxidationsregion.
Übergangstemperatur von Siliziumnitrid bei unterschiedlichen Sauerstoff -Teildrucken
Peroration
Siliziumnitridkeramiken haben eine hohe theoretische thermische Leitfähigkeit, und der Gehalt an zweiter Phasen und die Gitterdefekte, insbesondere die Sauerstofffehler im Gitter, haben einen großen Einfluss auf die thermische Leitfähigkeit der Siliziumnitridenkeramik. Daher ist es sehr wichtig, die Oxidationsresistenz des Pulvers, die Form von Sauerstoff in Siliziumnitrid und seinen Oxidationsmechanismus zu untersuchen.
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