氮化硅结构与性能.doc

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1、氮化硅结构与性能的相关性随着工业与科技的发展，对优良的工艺性能材料有着越来越高的要求。Si3N4是一种新型的高温结构陶瓷材料，具有优良的化学性能，兼有抗热震性好，高温蠕变小，对多种有色金属融体不润湿，硬度高，具有自润滑性，已广泛应用到切削刀具、冶金、航空、化工等行业之中。Si3N4是以共价键为主的化合物，键强大，键的方向性强，结构中缺陷的形成和迁移需要的能量大，即缺陷扩散系数低（缺点），难以烧结，其中共价键Si-N成分为70%，离子键为30%，同时由于Si3N4本身结构不够致密，从而为提高性能需要添加少量氧化物烧结助剂，通过液相烧结使其致密化。S

2、i3N4含有两种晶型，一种为α-Si3N4，针状结晶体，呈白色或灰白色，另一种为β-Si3N4，颜色较深，呈致密的颗粒状多面体或短棱柱体。两者均为六方晶系，都是以[SiN4]4-四面体共用顶角构成的三维空间网络。在高温状态下，β相在热力学上更稳定，因此α相会发生相变，转为β相。从而高α相含量Si3N4粉烧结时可得到细晶、长柱状β-Si3N4晶粒，提高材料的断裂韧性。但陶瓷烧结时必须控制颗粒的异常生长，使得气孔、裂纹、位错缺陷出现，成为材料的断裂源。在工业性能上，Si3N4陶瓷材料表现出了较好的工艺性能。（1）机械强度高，硬度接近于刚玉，有自润滑性

3、耐磨；（2）热稳定性高，热膨胀系数小，有良好的导热性能；（3）化学性能稳定，能经受强烈的辐射照射等等。晶体的常见参数如下图所示：Si3N4分子中Si原子和周围4个N原子以共价键结合，形成[Si-N4]四面体结构单元，所有四面体共享顶角构成三维空间网，形成Si3N4，有两种相结构，α相和β相如下图所示：α相结构β相结构其共价键长较短，成键电子数目多，原子间排列的方向性强，相邻原子间相互作用大。Si3N4存在两种由[Si-N4]四面体结构以不同的堆砌方式堆砌而成的三维网络晶形，一个是α-Si3N4，另一个是β-Si3N4。正是由于[Si-N4]四面体

4、结构单元的存在，Si3N4具有较高的硬度。在β-Si3N4的一个晶胞内有6个Si原子，8个N原子。其中3个Si原子和4个N原子在一个平面上，另外3个Si原子和4个N原子在高一层平面上。第3层与第1层相对应，如此相应的在C轴方向按ABAB…重复排列，β-Si3N4的晶胞参数为a=0.7606nm，c=0.2909nm。α-Si3N4中第3层、第4层的Si原子在平面位置上分别与第1层、第2层的Si原子错了一个位置，形成4层重复排列，即ABCDABCD…方式排列。相对β-Si3N4而言,α-Si3N4晶胞参数变化不大，但在C轴方向约扩大一倍（a=0.7

5、75nm，c=0.5618），其中还含有3%的氧原子以及许多硅空位，因此体系的稳定性较差，这使α相结构的四面体晶形发生畸变，而β相在热力学上更稳定。由于氧原子在α相中形成Si-O-Si离子性较强的的键，这使α相中的[Si-N4]四面体易产生取向的改变和链的伸直，原子位置发生调整，使得α相在温度达到1300℃以上时转变到β相，使其结构稳定。