氮化硅的成型和熱處理

氮化硅的成型和熱處理

形成和隨后燒結(jié)氮化硅的最常用方法是添加 MgO 的熱壓；然而，由于當(dāng)前的進(jìn)步，無(wú)壓力燒結(jié)是可以實(shí)現(xiàn)的。為了在不引入高壓的情況下使氮化硅壓塊致密，必須添加氧化釔 (Y2O3) 和氧化鋁 (Al2O3)。然后可以燒結(jié)壓塊在 1750°C 的溫度下不增加壓力；然而，最大致密化速率發(fā)生在 1450-1500°C 的溫度之間。開(kāi)始致密化的總收縮率和溫度取決于所用氮化硅粉末的生產(chǎn)路線。

由于 Si3N4 對(duì)大氣中的雜質(zhì)很敏感，因此 Si3N4 粉末的熱處理需要 N2 氣氛或真空。H2O、O2 或 H2 對(duì)氣氛的污染對(duì)被熱處理的產(chǎn)品有顯著影響。在商業(yè)生產(chǎn)中去除雜質(zhì)氣體，特別是氧氣是困難的。如果金屬硅仍然存在（尚未反應(yīng)形成 Si3N4），同時(shí)存在氧氣或水蒸氣，則金屬硅會(huì)氧化成 SiO2，導(dǎo)致冷卻后形成玻璃相。

由于 H2O 和/O 的存在而形成氧化硅 r O2 可以通過(guò) Si3N4 產(chǎn)品表面的“釉料”目測(cè)檢測(cè)到。5 氧氣和/或水蒸氣的存在也會(huì)對(duì)已經(jīng)形成的 Si3N4 產(chǎn)生不利影響，可能導(dǎo)致氮化硅氧化（形成Si2N2O) 或?qū)е碌杞怆x（前者的反應(yīng)在熱力學(xué)上更穩(wěn)定）：

2Si3N4 + 1.5O2 --> 3Si2N2O + N2，ΔG1227°C = -1063 kJ/mole

Si3N4 + 3O2 --> SiO2 + 2N2，ΔG1227°C = -802 kJ/mole

在 1000-1400°C 的溫度范圍內(nèi)，氮化硅氧化的活化能 (Q) 約為 486 kJ/mol，而對(duì)于硅金屬的氧化，Q = 112 kJ/mol相同的溫度范圍。相比之下，已經(jīng)證明在氮化過(guò)程中存在的少量 (0.2%) H2 氣體會(huì)導(dǎo)致重量增加增加，這意味著硅顆粒的氮化更完全。 5

鍵合階段

Si3N4 鍵合相可以在專有的熱處理過(guò)程中使用所有三種形成氮化硅的方法原位形成。通過(guò)這些工藝，生產(chǎn)出非常大（重達(dá) 900 磅）的工業(yè) Si3N4 鍵合碳化硅零件，公差非常小，通常為 ± 0.04 英寸。