常见的硅氮结构产品以氮化硅(Si₃N₄)为代表,其优势和缺点如下:
优势
力学性能方面
高硬度:氮化硅具有很高的硬度,其莫氏硬度可达 9-9.5,仅略低于金刚石、立方氮化硼等少数几种材料,可用于制造刀具、磨具等,能保持良好的切削和研磨性能,在长期使用中不易磨损。
高强度:有较高的抗弯强度,一般热压氮化硅的抗弯强度可达 700-1000MPa,反应烧结氮化硅的抗弯强度也能达到 200-300MPa,可承受较大的外力和载荷,适用于制造承受高应力的机械零件。
低密度:密度约为 3.1-3.2g/cm³,与铝的密度相近,远低于许多金属材料,在航空航天、汽车等领域应用时,能在保证强度的同时实现轻量化设计,提高设备的效率和性能。
热性能方面
耐高温:具有较高的熔点,约为 1900℃,在高温环境下仍能保持良好的力学性能和化学稳定性,可用于制造高温炉的部件、航空发动机的燃烧室等。
低热膨胀系数:热膨胀系数较小,约为 2.7×10⁻⁶/℃,在温度急剧变化时,材料内部产生的热应力较小,具有良好的抗热冲击性能,能在急热急冷的环境中保持物理性质稳定,不易发生断裂。
高热导率:热导率较高,约为 20-30W/(m・K),能够快速传导热量,使材料在高温环境中温度分布更均匀,减少局部过热现象。
化学性能方面
抗腐蚀性:化学稳定性好,在大多数酸、碱、盐等腐蚀性介质中具有优异的抗腐蚀性能,不易被腐蚀和侵蚀,可用于化工、制药等行业中接触腐蚀性介质的部件。
抗氧化性:在高温下能在表面形成一层致密的氧化硅保护膜,阻止进一步的氧化,具有良好的抗氧化性能,可在高温氧化环境中长期使用。
电性能方面
绝缘性好:具有良好的电绝缘性能,电阻率高,介电常数低,可用于制造电子器件中的绝缘部件、集成电路的基片等,能有效防止电流泄漏和短路。
透微波性能:对微波具有良好的透过性,可用于制造雷达天线罩等微波器件,不影响微波的传输和接收。
缺点
制备成本方面
原料成本高:氮化硅的合成需要使用高纯度的硅粉、氮气等原料,这些原料的制备和提纯过程复杂,成本较高。
工艺复杂:合成和加工氮化硅需要高温、高压等复杂的工艺条件,如热压烧结、化学气相沉积等,对设备要求高,且生产过程中的能源消耗大,导致生产成本增加。
力学性能方面
脆性大:属于典型的脆性材料,在受到外力冲击时,容易发生脆性断裂,抗机械冲击强度低,限制了其在一些对抗冲击性能要求高的领域的应用。
可靠性低:由于脆性大,其制品的可靠性和稳定性相对较差,在使用过程中可能会因为微小的缺陷或应力集中而发生破裂,需要对制品的质量和使用环境进行严格控制。
加工难度方面
加工成本高:硬度高使得氮化硅的加工难度大,需要使用金刚石刀具等特殊的加工工具,且加工效率低,加工成本高。
加工工艺复杂:传统加工方式容易导致刀具磨损严重、样件易开裂等问题,对加工工艺和设备要求高,需要采用先进的加工技术,如电火花加工、激光加工等,但这些技术的设备投资和运行成本也较高。
室温固化聚硅氮烷,请查看
IOTA 9150, IOTA 9150K.
高温固化聚硅氮烷,请查看
IOTA 9108,
IOTA 9118.