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全方位了解氮化硅晶須!


來源:中國粉體網(wǎng)   山川

[導(dǎo)讀]  晶須是在人工控制條件下合成的一種高強度須狀的單晶體。其晶體結(jié)構(gòu)比較完整,內(nèi)部缺陷少,其強度和模量均接近理想晶體。

中國粉體網(wǎng)訊  晶須是在人工控制條件下合成的一種高強度須狀的單晶體。其晶體結(jié)構(gòu)比較完整,內(nèi)部缺陷少,其強度和模量均接近理想晶體。因此,晶須常作為增強組分加到金屬基體、陶瓷基體和高分子基體中起增強、增韌作用。


以往關(guān)于碳化硅晶須的研究較多。碳化硅晶須的強度和模量確實優(yōu)于氮化硅晶須,但Si3N4晶須比SiC具有更優(yōu)良的耐高溫、高強度、高模量、低膨脹和良好的化學(xué)穩(wěn)定性,被認(rèn)為是增強金屬和陶瓷材料的理想增強組元。


氮化硅晶須結(jié)構(gòu)特點


氮化硅晶須有2種晶型:α-Si3N4和β-Si3N4。兩者都屬六方晶系。一般認(rèn)為α-Si3N4屬低溫穩(wěn)定晶型,β-Si3N4屬高溫穩(wěn)定晶型。在氮化硅晶須生長的過程中,有研究表明其生長具有方向性,且α-Si3N4和β-Si3N4有所差異。α-Si3N4晶須可沿<10-10>、<10-11>和<0001>方向生長。其中沿<10-10>方向生長α-Si3N4晶須的一側(cè)有大量的微小結(jié)晶體;生長方向為<10-11>α-Si3N4晶須的一側(cè)有大量的復(fù)合面缺陷;生長方向為<0001>的α-Si3N4晶須的中間有芯,兩側(cè)有平行于(0001)面的缺陷。β-Si3N4晶須的生長方向為<10-10>,且晶須中幾乎觀察不到任何缺陷。


(圖片來源于網(wǎng)絡(luò))


物化性能


與碳化硅晶須相比,氮化硅晶須具較高的強度,通常其拉伸強度可達(dá)13.8GPa,是碳化硅晶須的5倍。還具有高彈性模量(390GPa)、低膨脹系數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。用氮化硅晶須作為增強體時,晶須性能及要求因基體的不同而不同。


氮化硅晶須的制備方法


氮化硅晶須制備方法有氣相法、液相法、固相法,常用的方法有直接氮化法、化學(xué)氣相沉積法、碳熱還原法、鹵化硅氣相氨分解法、自蔓延法等?梢圆捎玫入x子體氣相反應(yīng)法制備的無定型氮化硅超細(xì)粉末為原料,通過在1450℃氮氣氣氛下,2h熱處理,使無定型的氮化硅轉(zhuǎn)化為α相氮化硅,并生長出α-Si3N4晶須。也有研究者采用二氧化碳和石墨為原料分別在1200~1300℃和1250~1400℃流動氮氣中制備了α-Si3N4晶須和β-Si3N4晶須。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)α-Si3N4晶須表面光滑,有大量缺陷,且有很多分叉晶須;但β-Si3N4晶須的表面光滑,看不到缺陷,分叉的晶須也很少。


晶須生長的影響因素


1、溫度


溫度升高有利于提高晶體的轉(zhuǎn)化率。產(chǎn)物在1400℃時兩相共存,在1850℃時只有β相。另外,伴隨著溫度的升高,氮化硅晶體由線狀變?yōu)殚L柱狀。


2、添加劑


添加劑的選擇及用量對于提高氮化率、轉(zhuǎn)化率、晶須生長具有明顯的影響。添加劑的使用有利于晶須的制備,但用量過多會使產(chǎn)物純度降低;用量過少又不足以實現(xiàn)完全氮化。


3、晶須生長中的保護氣氛


采用自蔓延高溫合成法,指出α-Si3N4的生成與氣態(tài)反應(yīng)有關(guān),尤其與氣態(tài)的一氧化硅和氮氣的反應(yīng)有關(guān)。在普通氮氣中,含有少量的雜質(zhì)氧和水蒸氣,少量氧有利于SiO的生成,少量水蒸氣有利于SiO的氮化,因此普通氮氣中α相含量比高純氮氣中高。而另有研究者發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn),氮氣作保護氣氛,由于雜質(zhì)氧引入時的生長出的晶須出現(xiàn)大量的缺陷。當(dāng)采用氨氣作保護氣氛時,由于氨氣會首先與氧反應(yīng),進(jìn)而保護了氮化硅,使生長的晶須光滑,無明顯的缺陷。


4、晶須生長中液相的影響


晶須生長中存在的液相,對晶須的生長行為及組成都有直接的關(guān)系,可通過控制液滴的尺寸、組成,來控制晶須的直徑和性能。一般認(rèn)為,對液滴的控制可以自然引入(即從制備晶須的設(shè)備中獲得)、從原料中引入和通過氣相引入的方法。


氮化硅晶須的應(yīng)用現(xiàn)狀


晶須強化增韌被認(rèn)為是解決材料高溫韌性的有效方法,既保持了基體材料的主要特色,又通過晶須改善了基體的性能,而且與連續(xù)纖維強化增韌相比,晶須增韌的工藝更為簡單,因此,各種先進(jìn)復(fù)合材料對晶須的需要量不斷增加。用氮化硅晶須作為增強體時,與碳化硅晶須增強陶瓷晶須陶瓷基復(fù)合材料相類似,復(fù)合材料的性能會因基體的不同而不同,相應(yīng)也就有了不同的用途,廣泛應(yīng)用于航空、航天、機械加工與制造等領(lǐng)域中。


氮化硅晶須增強熔融石英材料的性能。發(fā)現(xiàn)補強后的熔融石英材料的熱膨脹系數(shù)小,具有良好的抗熱震性,且熱震后的強度較高。但同時又有研究表明氮化硅晶須和石英玻璃在高溫下易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而使基體嚴(yán)重破壞,妨礙了該材料在高溫下的使用。


氮化硅晶須增韌碳化硅陶瓷復(fù)合材料中,既保留了碳化硅陶瓷優(yōu)良的耐高溫、抗蠕變、抗氧化、抗化學(xué)腐蝕、耐磨等性能,又具有比碳化硅陶瓷更高的強度和韌性,最高使用溫度可達(dá)1400℃以上,且二者有良好的物理相容性,化學(xué)性質(zhì)相近,界面的結(jié)合力較強。


氮化硅晶須增韌氧化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷及玻璃等其他基體的復(fù)合材料時,其性能都不同程度的得到了改善。氮化硅晶須補強氮化硅陶瓷,由于增強體與基體的同質(zhì)性,使兩者具有很好的物理和化學(xué)相容性,使材料的復(fù)合性能得到較好的發(fā)揮。


晶須作為一種新型的增強材料,由于其優(yōu)良的性能在復(fù)合材料中得到廣泛應(yīng)用。晶須的生長機理研究還不完善,制備技術(shù)也有待進(jìn)一步研究,以提高晶須的產(chǎn)率,適應(yīng)商品化生產(chǎn)的要求。同時,生產(chǎn)成本也是關(guān)注的熱點,可從選擇廉價的原料入手,促進(jìn)技術(shù)更新,從而充分利用資源,促進(jìn)晶須增韌復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展。


參考來源:

[1]李甫.氮化硅晶須結(jié)構(gòu)性能研究及其應(yīng)用現(xiàn)狀

[2]王煥磊等.氮化硅晶須的研究現(xiàn)狀


(中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川)


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