La céramique au nitrure de silicium (Si3N4) a une excellente résistance à la flexion, une résistance aux chocs thermiques, une résistance à la corrosion et une conductivité thermique acide et alcaline, et est un matériau clé de l'aérospatiale, des dispositifs médicaux, des véhicules électriques et d'autres champs. La recherche montre que les céramiques de nitrure de silicium ont une conductivité thermique théorique élevée, le nitrure de silicium est un fort composé de liaison covalente, et sa conductivité thermique est dominée par les vibrations thermiques du réseau, et les facteurs clés affectant la conductivité thermique de la céramique sont le contenu de la deuxième phase et Les défauts du réseau, en particulier les défauts d'oxygène dans le réseau. Comportement d'oxydation du nitrure de silicium poreux et en poudre L'atmosphère d'oxydation dynamique, un échantillon poreux et poudreux rendra le nitrure de silicium oxydé plus sérieusement. Il existe deux formes d'oxygène en poudre de nitrure de silicium, l'une consiste à former une couche d'oxyde de silice à la surface, et l'autre est d'entrer dans le réseau de nitrure de silicium pour former des défauts d'oxygène. Dans le processus de préparation de la poudre, l'oxygène adsorbé à l'intérieur du réseau cristallin et à la surface des particules de poudre est d'environ 1 wt%. À des températures élevées, l'oxygène se dissout dans le réseau et remplace les atomes d'azote pour former des lacunes de silicium, formant des centres de diffusion pendant la propagation des phonons et affectant la conductivité thermique du nitrure de silicium. Plus la teneur en oxygène de la poudre est faible, mieux les propriétés complètes de la céramique préparée. Wang Yuelong et al. Poudre de nitrure de silicium sélectionné avec une teneur initiale en oxygène de 1,21 wt% et l'oxyder à différentes températures à 573k-1273k dans l'air fluide. Variation de la teneur en oxygène de la poudre de nitrure de silicium avec température
Les résultats montrent que la poudre de nitrure de silicium a une bonne résistance à l'oxydation, la teneur en oxygène de la poudre inférieure à 1073K n'est presque pas une augmentation, la teneur en oxygène de la poudre augmente lentement entre 1073k et 1273k, et la teneur en oxygène augmente fortement à 1273K. Après avoir maintenu 1273K pendant 5h et 10h, la teneur en oxygène de la poudre de nitrure de silicium a augmenté à 2,01% et 3,26WT%, respectivement, et l'épaisseur de la couche d'oxyde de surface est passée de 0,45 Nm à 1,05 nm et 2,31 Nm. Grâce au calcul théorique et à la détection XPS, la teneur en oxygène du réseau de la poudre de nitrure de silicium est d'environ 0,5WT%.
Il a trouvé Fengmei à travers l'étude de SI3N4 poreux qui, sous l'atmosphère d'air statique de la pression atmosphérique, la réaction d'oxydation de Si3N4 poreuse est très faible; Au-dessus de 800 ℃, la réaction d'oxydation évidente peut être observée; Au-dessus de 1000 ℃, la réaction d'oxydation est intensifiée et le taux de gain de poids est accéléré, et il se produit de préférence à la paroi des pores surface et externe, puis dans les pores internes de l'échantillon. La réaction d'oxydation est contrôlée par la cinétique chimique à l'interface. De plus, à la même température, l'atmosphère d'oxydation dynamique accélérera l'oxydation de Si3N4, en particulier pour les échantillons poreux et en poudre.
Mécanisme d'oxydation
Semblable aux matériaux en carbure de silicium, le mécanisme d'oxydation du nitrure de silicium est divisé en mécanisme d'oxydation actif et d'oxydation passif avec la différence de pression et de température partielles d'oxygène. L'oxydation active fait référence à la réaction du nitrure de silicium et de l'oxygène pour produire du monoxyde de silicium et de l'azote. Le mécanisme d'oxydation passif est la base de l'analyse de la température de transition, il est donc nécessaire d'avoir une compréhension claire du mécanisme d'oxydation passif du nitrure de silicium. La formule de réaction est la suivante:
La réaction du nitrure de silicium sous le mécanisme d'oxydation actif est principalement la formule (1), et la réaction sous le mécanisme d'oxydation passive est principalement la formule (2). Certains chercheurs ont trouvé dans l'expérience qu'il peut y avoir une réaction (3) dans le mécanisme d'oxydation passif en même temps. De plus, l'équation de réaction (4) peut se produire à l'interface de SiO2 et Si3N4.
Mécanisme de réaction sous mécanisme d'oxydation passif
Par calcul thermodynamique, Chen Siyuan et al. a étudié la proportion de formule de réaction (3) dans le mécanisme d'oxydation passive à une température et une pression données, et trouvé à travers des expériences que le rapport de NO à N2 était très faible, il peut donc être considéré que la réaction du mécanisme d'oxydation passive du silicium Le nitrure n'est que la formule de réaction (2). L'augmentation de la température et de la pression partielle d'oxygène à l'interface augmentera la pression de NO, c'est-à-dire que la possibilité de réaction (3) augmentera.
Dans l'environnement de température élevée et de pression partielle à faible oxygène, le nitrure de silicium se transforme du mécanisme d'oxydation passif au mécanisme d'oxydation actif, formant SIO et N2, le film oxydant est détruit, le mécanisme anti-oxydation échoue et le matériau commence à s'abstenir. La résistance à l'oxydation du nitrure de silicium est inefficace après ablation, et la transmittance des vagues du matériau est gravement affectée. Par conséquent, la région où le mécanisme d'oxydation des changements de nitrure de silicium est très important pour étudier sa résistance à l'oxydation et sa transmittance des vagues.
À la même température, lorsque la concentration d'oxygène diminue, le mécanisme d'oxydation du nitrure de silicium se transforme en oxydation active. Lorsque la pression partielle de l'oxygène est constante et que la température de surface augmente, le mécanisme d'oxydation passe de l'oxydation passive à l'oxydation active.
La courbe de température de transition du nitrure de silicium sous différentes pression partielles d'oxygène a été obtenue par Chen et al. La courbe a divisé la région d'oxydation en région d'oxydation passive et région d'oxydation active.
Température de transition du nitrure de silicium à différentes pressions partielles d'oxygène
péroraison
Les céramiques de nitrure de silicium ont une conductivité thermique théorique élevée, et la deuxième teneur en phase et les défauts de réseau, en particulier les défauts d'oxygène dans le réseau, ont un grand impact sur la conductivité thermique de la céramique de nitrure de silicium. Par conséquent, il est très important d'étudier la résistance à l'oxydation de la poudre, la forme d'oxygène dans le nitrure de silicium et son mécanisme d'oxydation.
(Matériel d'Internet, intrusion)
