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【原創(chuàng)】氮化硅的氧化行為,必須搞懂!


來源:中國(guó)粉體網(wǎng)   山川

[導(dǎo)讀]  氮化硅陶瓷具有很高的理論熱導(dǎo)率,而影響陶瓷導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵是第二相含量和晶格缺陷,尤其是晶格內(nèi)氧缺陷對(duì)氮化硅陶瓷導(dǎo)熱性能影響很大。

中國(guó)粉體網(wǎng)訊  氮化硅陶瓷(Si3N4)具有優(yōu)異的抗彎強(qiáng)度、抗熱震性、抗酸堿腐蝕性以及熱導(dǎo)性能,是航空航天、醫(yī)療器械、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。研究表明氮化硅陶瓷具有很高的理論熱導(dǎo)率,氮化硅為強(qiáng)共價(jià)鍵化合物,其導(dǎo)熱是以晶格熱振動(dòng)為主導(dǎo),而影響陶瓷導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵是第二相含量和晶格缺陷,尤其是晶格內(nèi)氧缺陷對(duì)氮化硅陶瓷導(dǎo)熱性能影響很大。


多孔和粉末狀氮化硅的氧化行為


動(dòng)態(tài)氧化氣氛、多孔和粉末狀樣品會(huì)使得氮化硅被氧化的更嚴(yán)重。


氮化硅粉體氧存在兩種形式,一種是在表面形成二氧化硅氧化層,一種是進(jìn)入氮化硅晶格形成氧缺陷。在粉體制備過程中,晶格內(nèi)部和粉體顆粒表面吸附的氧大概有1wt%左右。高溫下氧會(huì)溶于晶格,取代氮原子生成硅空位,形成聲子傳播過程中的散射中心,影響氮化硅導(dǎo)熱性能。粉體氧含量越低,制備的陶瓷綜合性能越好。


王月隆等選取初始氧含量為1.21wt%的氮化硅粉體,在流動(dòng)的空氣中,573K-1273K下進(jìn)行不同溫度的氧化。


氮化硅粉體氧含量隨溫度的變化 




結(jié)果表明,氮化硅粉體具有很好的抗氧化性,1073K以下粉體氧含量幾乎沒有增加,在1073K-1273K之間氧含量緩慢增加,到1273K氧含量急劇增加。在1273K下保溫5h和10h后,氮化硅粉體氧含量分別增加到2.01wt%和3.26wt%,其表面氧化層厚度由0.45nm增加到1.05nm和2.31nm。并通過理論計(jì)算和XPS檢測(cè)得出,氮化硅粉體的晶格氧含量大約為0.5wt%。


何鳳梅通過對(duì)多孔Si3N4的研究發(fā)現(xiàn),多孔Si3N4在常壓靜態(tài)空氣氣氛下,800℃以下,氧化反應(yīng)非常微弱,800℃以上可見明顯的氧化反應(yīng),1000℃以上氧化反應(yīng)加劇,增重速率加快,并優(yōu)先發(fā)生在表面與外部孔壁處,然后再發(fā)生在樣品的內(nèi)部孔隙處,氧化反應(yīng)受界面處的化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制,此外,同等溫度下,動(dòng)態(tài)氧化氣氛將加速Si3N4的氧化,特別是多孔和粉末狀樣品。


氧化機(jī)制


和碳化硅材料類似,氮化硅隨著氧分壓和溫度的不同,氧化機(jī)制分為主動(dòng)氧化和被動(dòng)氧化機(jī)制。主動(dòng)氧化是指氮化硅和氧氣反應(yīng)生成一氧化硅和氮?dú),被?dòng)氧化機(jī)制是進(jìn)行轉(zhuǎn)捩溫度分析的基礎(chǔ),因此需要對(duì)氮化硅的被動(dòng)氧化機(jī)制有較清楚的認(rèn)識(shí)。反應(yīng)式如下:




氮化硅在主動(dòng)氧化機(jī)制下發(fā)生的反應(yīng)主要是(1)式,在被動(dòng)氧化機(jī)制下發(fā)生的反應(yīng)主要是(2)式,部分研究人員在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)被動(dòng)氧化機(jī)制中同時(shí)可能有反應(yīng)(3)式發(fā)生。此外,在SiO2和Si3N4的界面處有可能發(fā)生反應(yīng)式(4)。


1、被動(dòng)氧化機(jī)制下的反應(yīng)機(jī)制


陳思員等通過熱力學(xué)計(jì)算,研究在給定溫度和壓力時(shí)被動(dòng)氧化機(jī)制中反應(yīng)(3)式所占的比重,并通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NO相對(duì)于N2的比值非常小,可以認(rèn)為氮化硅被動(dòng)氧化機(jī)制的反應(yīng)只有反應(yīng)(2)式。溫度升高、界面處氧氣分壓增大會(huì)使得NO的壓力增大,即反應(yīng)(3)式發(fā)生的可能性增大。


2、主被動(dòng)氧化機(jī)制轉(zhuǎn)換的反應(yīng)機(jī)制


在高溫、低氧分壓環(huán)境下,氮化硅由被動(dòng)氧化機(jī)制轉(zhuǎn)變至主動(dòng)氧化機(jī)制,形成SiO和N2,氧化薄膜被破壞,抗氧化機(jī)制失效,材料開始燒蝕。氮化硅發(fā)生燒蝕后抗氧化性能失效,并且嚴(yán)重影響到材料的透波性能。因此氮化硅氧化機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變的區(qū)域?qū)τ谘芯科淇寡趸阅芗巴覆ㄐ阅苤陵P(guān)重要。


相同溫度下,當(dāng)氧氣的濃度變小時(shí),氮化硅的氧化機(jī)制向主動(dòng)氧化轉(zhuǎn)化。當(dāng)氧分壓一定時(shí),表面溫度升高時(shí),氧化機(jī)制由被動(dòng)氧化轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)氧化。


陳思員等通過試驗(yàn)得到不同氧分壓下氮化硅的轉(zhuǎn)捩溫度曲線,該曲線將氧化區(qū)域劃分為被動(dòng)氧化區(qū)域和主動(dòng)氧化區(qū)域。


不同氧分壓下氮化硅的轉(zhuǎn)捩溫度


結(jié)語(yǔ)


氮化硅陶瓷具有很高的理論熱導(dǎo)率,而第二相含量和晶格缺陷,尤其是晶格內(nèi)氧缺陷對(duì)氮化硅陶瓷導(dǎo)熱性能影響很大,因此,研究粉體的抗氧化性能以及氧在氮化硅中的存在形式及其氧化機(jī)制非常重要。


參考來源:


[1]王月隆等.氮化硅粉體的氧化行為

[2]陳思員等.氮化硅的氧化機(jī)制研究

[3]何鳳梅等.多孔氮化硅高溫氧化特性分析


(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川)

注:圖片非商業(yè)用途,存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除


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作者:山川

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