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窒化ケイ素材料の9つの主な製品性能の説明

2020.07.08

窒化珪素素材の9大製品特長

1. 組成と構造

窒化ケイ素の分子式はSiです。 3 N 4 、共有結合化合物です。窒化ケイ素セラミックスは多結晶材料であり、その結晶構造は六方晶系に属します。一般にαとβの2つの結晶方位に分けられ、どちらも[SiN】から構成されています。 4 ] 4 -四面体。 β-Si 3 N 4 対称性が高く、モル体積が小さい。これは相対温度で熱力学的に安定した相ですが、α-Si 3 N 4 動的に形成するのは比較的簡単です。高温（1400℃～1800℃）ではα相が相変化してβ型になります。この相変化は不可逆であるため、α相は焼結を促進します。

2. 外観

異なる結晶相から得られる窒化ケイ素は、異なる外観を持っています。 α-Si 3 N 4 白色または灰白色のゆるい羊毛または針状であり、β-"Si 3 N 4 色は暗く、密な粒状多面体または短いプリズムとして見えます。窒化ケイ素セラミックスのウィスカーは透明または半透明で、外観は灰色、青灰色、灰色がかった黒で、密度や相対比率によって異なり、添加剤により他の色も現れます。窒化ケイ素セラミックスの表面は研磨すると金属光沢を持ちます。

3. 密度と比重

窒化ケイ素の理論密度は 3100±10kg/m です。 3 。 α-Siの実比重の実測値 3 N 4 3184kg/mです 3 、およびβ-Siの真比重 3 N 4 3187kg/mです 3 。窒化ケイ素セラミックのかさ密度はプロセスによって大きく異なりますが、一般に理論密度の 80% 以上、2200 ～ 3200kg/m の範囲です。 3 。密度差の主な理由は気孔率です。反応焼結窒化ケイ素の気孔率は一般に20%程度、密度は2200～2600kg/mです。 3 、一方、ホットプレスされた窒化ケイ素の気孔率は 5% 未満で、密度は 3000 ～ 3200kg/m です。 3 同様の用途の他の材料と比較すると、すべての高温合金よりも密度が低いだけでなく、高温構造用セラミックの中でも密度が低いものの 1 つです。

4. 電気絶縁

窒化ケイ素セラミックスは高温絶縁材料として使用でき、その性能指標は主に合成方法と純度に依存します。材料中の窒化されていないシリコン、および製造プロセス中に導入されるアルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、チタン、ニッケルなどの不純物は、窒化ケイ素セラミックスの電気的特性を劣化させます。一般に、窒化ケイ素セラミックスの室温乾燥媒体中での比抵抗は 1015 ～ 1016 オーム、誘電率は 9.4 ～ 9.5 です。高温でも、窒化ケイ素セラミックは比較的高い比抵抗値を維持します。プロセス条件の改善により、窒化シリコンは一般的に使用される誘電体のランクに入る可能性があります。

V. 熱特性

窒化ケイ素焼結体の熱膨張係数は2.53×10-6/℃と低く、熱伝導率は18.42W/m・Kです。石英、微結晶ガラスに次ぐ優れた耐熱衝撃性を持っています。実験報告によると、密度 2500kg/m の反応焼結窒化ケイ素サンプル 3 1200℃から20℃まで冷却され、数千回の熱サイクルを経ても割れませんでした。窒化ケイ素セラミックスは熱安定性に優れており、高温下でも長時間使用できます。酸化性雰囲気での使用温度は1400℃に達することができ、中性または還元性雰囲気での使用温度は1850℃に達することができます。

VI.機械的性質

窒化ケイ素は機械的強度が高い。一般的なホットプレス製品の曲げ強度は500~700MPaですが、高強度のものは1000~1200MPaに達することもあります。反応焼結後の曲げ強度は200MPa、高強度は300~400MPaに達します。反応焼結品は室温強度は高くありませんが、1200～1350℃の高温でも強度は低下しません。窒化ケイ素は高温クリープが低い。例えば、1200℃で反応焼結した窒化ケイ素の荷重は24MPaで、1000時間後の変形は0.5%です。

VII.摩擦係数と自己潤滑性

窒化ケイ素セラミックスは摩擦係数が小さく、高温・高速条件下でも摩擦係数の上昇が少ないため、機構の正常な動作を確保できます。これは窒化ケイ素セラミックの顕著な利点です。窒化ケイ素セラミックスが摩耗し始めると、滑り摩擦係数は1.0～1.5に達します。精密研削後の摩擦係数は大幅に低下し、0.5以下を維持します。したがって、窒化ケイ素セラミックスは自己潤滑性を有すると考えられる。グラファイト、窒化ホウ素、タルクとは異なり、この自己潤滑性の主な理由は材料構造の層状構造にあります。圧力がかかると摩擦面がわずかに分解して薄い空気膜が形成され、摩擦面間の滑り抵抗が減少し、摩擦面の平滑性が高まります。このように、摩擦が大きいほど抵抗が小さくなり、特に摩耗が少なくなります。継続的に摩擦を続けると、材料は表面の磨耗や温度上昇による軟化により、徐々に摩擦係数が増加する傾向があります。

Ⅷ.被削性

窒化ケイ素セラミックは、希望の形状、精度、表面仕上げに機械加工できます。

IX.化学的安定性

窒化ケイ素は優れた化学的特性を備えており、フッ化水素酸と 25% 未満の水酸化ナトリウム溶液を除くすべての無機酸からの腐食に耐えることができます。耐酸化温度は1400℃に達し、還元雰囲気での使用温度は1870℃に達します。金属（特にアルミ液）には濡れませんが、非金属にはなおさらです。

窒化ケイ素セラミックの上記の物理的および化学的特性から、窒化ケイ素セラミックの優れた性能は、現代のテクノロジーで頻繁に遭遇する高温、高速、強力な腐食性媒体の作業環境に対して特別な応用価値があることがわかります。その優れた利点は次のとおりです。

それには次のような点があります。

(1) 機械的強度が高く、コランダムに近い硬度。ホットプレスされた窒化ケイ素の室温曲げ強度は780～980MPaにも達し、合金鋼よりもさらに高いものもあり、その強度は劣化することなく1200℃まで維持できます。

(2) 機械的自己潤滑性、低い表面摩擦係数、耐摩耗性、高弾性率、耐高温性。

(3) 熱膨張係数が低く、熱伝導率が高く、耐熱衝撃性に優れています。

(4) 低密度、低比重です。

(5) 耐食性、耐酸化性。

(6) 良好な電気絶縁性。

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