نيتريد الفيروسيليكون (FeSi₃N₄)
التركيب الكيميائي: يتم إنتاجه بواسطة نيترة ذات درجة حرارة عاليةسبائك الحديد والسيليكون(عادة تحتوي على65%-75%Si) في جو النيتروجين. المرحلة الرئيسية هي Si₃N₄ (يمثل 70%-85%)، مع كميات صغيرة من الحديد الحر (10%-15%) والسيليكون غير المتفاعل.
الشكل المادي: مسحوق أو حبيبات بيضاء رمادية إلى رمادية داكنة، بكثافة تبلغ حوالي 3.2-3.4 جم/سم³ وصلابة HV 1400-1800.
الهيكل البلوري: يهيمن عليها -Si₃N₄ مع كمية صغيرة من الطور. تتوزع عناصر الحديد في المصفوفة على شكل جزيئات دقيقة.
نيتريد السيليكون (Si₃N₄)
التركيب الكيميائي: مادة سيراميك طورية نقية- بنسبة ذرية Si:N تبلغ 3:4 وكثافة نظرية تبلغ 3.18 جم/سم مكعب.
الشكل المادي: مسحوق أبيض أو رمادي فاتح، يشكل جسم سيراميك عالي الكثافة بعد التلبيد، مع صلابة HV 1800-2200 (للأجسام الملبدة).
الهيكل البلوري: يتواجد بشكل رئيسي في شكلين: الطور (النوع الثابت-ذو درجة الحرارة المنخفضة) والطور (النوع المستقر بدرجة الحرارة العالية-). تقوم المنتجات الصناعية بضبط نسبة المرحلتين من خلال التحكم في عملية التلبيد.
مقارنة الخصائص الرئيسية
| البعد المقارنة | نيتريد الفيروسيليكون، FeSi₃N₄ | نيتريد السيليكون، Si₃N₄ | التأثير الأساسي |
|---|---|---|---|
| المكونات الأساسية والنقاء | Si 65%-75%، N 18%-22%، Fe 10%-15%، هيكل الطور المركب | نقاء Si₃N₄ أكبر من أو يساوي 99% (الدرجة الصناعية)، أكبر من أو يساوي 99.9% (الدرجة النهائية-)، سيراميك الطور النقي | النقاء يحدد الحد الأعلى للأداء؛ يوازن حديد نيتريد السيليكون بين الوظيفة والتكلفة، بينما يركز نيتريد السيليكون على الأداء النهائي. |
| الخصائص الفيزيائية الرئيسية | الموصلية الحرارية 15-30 واط/(م・ك)، قوة الانثناء 300-600 ميجا باسكال، الصلابة HV 1400-1800 | الموصلية الحرارية 40-170 واط/(م ・ كلفن) (مرحلة تصل إلى 200)، قوة الانثناء 700-1500 ميجا باسكال، الصلابة HV 1800-2200 | يتفوق نيتريد السيليكون على حديد نيتريد السيليكون في جميع النواحي، خاصة في درجات الحرارة المرتفعة والقوة الميكانيكية. |
| الاستقرار الكيميائي | الأكسدة عند 1300-1400 درجة تشكل طبقة واقية SiO₂، مقاومة للتآكل الحمضي والقلوي (باستثناء المؤكسدات القوية) | مستقر عند 1600-1700 درجة، مقاوم للتآكل بواسطة معظم الوسائط الكيميائية، هيكل طور نقي بدون ترسيب شوائب | نيتريد السيليكون مناسب لدرجات الحرارة المرتفعة وبيئات التآكل الشديدة. |
| صعوبة عملية التصنيع | نيترة الفيروسيليكون عند درجة حرارة عالية-(1350-1450 درجة، 8-12 ساعة)، وهي عملية ناضجة. | تلبيد التفاعل / تلبيد الضغط الساخن (1700-1850 درجة، يتطلب مساعدات تلبيد)، عملية معقدة | يتمتع حديد نيتريد السيليكون بقدرة إنتاجية كبيرة (1.5 مليون طن سنويًا على مستوى العالم، وتمثل الصين 65%)، مما يضمن استقرارًا عاليًا في العرض. |
الاختلافات في عمليات التحضير
إعدادنيتريد الفيروسيليكون
الطاقة الإنتاجية العالمية: حوالي 1.5 مليون طن/سنةالصين تمثل 65%.
تحضير المواد الخام:
حدد سبيكة الفيروسيليكون (65%-75% Si) وقم بسحقها إلى حجم أقل من 1 مم.
تفاعل النتردة:
Introduce high-purity nitrogen (>99.99٪) في فرن مقاومة عمودي، يسخن إلى 1350-1450 درجة، ويتفاعل لمدة 8-12 ساعة لتكوين مرحلة مركبة حيث يتم تغليف جزيئات الحديد بـ Si₃N₄.
ما بعد-العلاج:
بعد التبريد، قم بسحق المنتج وغربلته، وإزالة الحديد الحر من خلال الفصل المغناطيسي للتحكم في محتوى الحديد في حدود 10%-15%.
إعدادنيتريد السيليكون
رد فعل تلبيد الطريقة:
اضغط على مسحوق السيليكون في مضغوط، والذي يتفاعل بعد ذلك في النيتروجين عند درجة حرارة 1350-1450 درجة لتصنيع -Si₃N₄. التلبيد الثانوي مطلوب للتكثيف.
طريقة التلبيد بالضغط الساخن:
أضف مساعدات التلبيد مثل MgO وY₂O₃، واللبيد عند 1700-1850 درجة تحت ضغط 20-30MPa للحصول على كثافة عالية -Si₃N₄.
طريقة تلبيد ضغط الغاز:
Sinter in high-pressure nitrogen (>1MPa) لمنع تحلل Si₃N₄ وإنتاج مكونات خزفية عالية النقاء-.
مقارنة مجالات التطبيق الأساسية
تطبيقات نيتريد الفيروسيليكون
الحراريات:
يُستخدم في طين فتحة الحنفية في الأفران العالية (على سبيل المثال، فرن الصهر الذي تبلغ سعته 4966 مترًا مكعبًا من Baosteel) لتحسين مقاومة التآكل واستقرار الصدمات الحرارية، مما يقلل من تقلب عمق فتحة الحنفية بنسبة 30%.
تعدين الحديد والصلب:
يعمل كبديل لجزء من FeSi وFeN كمزيل للأكسدة، مما يقلل تكاليف السبائك بنسبة 15%-20% في إنتاج حديد التسليح HRB400.
ارتداء-طبقات مقاومة:
يتم تطبيق طلاءات FeSi₃N₄ المرشوشة حراريًا على آلات التعدين، مع معدل تآكل أقل بنسبة 50% من الفولاذ الكربوني التقليدي.
تطبيقات نيتريد السيليكون
-أجزاء هيكلية ذات درجة حرارة عالية:
تُستخدم في شفرات توربينات المحرك الهوائي (يعتمد محرك GE9X محامل سيراميك Si₃N₄)، والتي يمكنها تحمل درجة حرارة عالية تصل إلى 1300 درجة وتقليل الوزن بنسبة 30%.
المجال الالكتروني:
تتمتع ركائز نيتريد السيليكون لمحطات قاعدة 5G بموصلية حرارية تبلغ 170 وات/(م·ك)، مع كفاءة تبديد للحرارة ضعف كفاءة Al₂O₃.
أدوات القطع:
يمكن للأدوات الخزفية المعتمدة على Si₃N₄- لمعالجة السبائك القائمة على النيكل- أن تحقق سرعة قطع تصل إلى 300 م/دقيقة، مع عمر خدمة يبلغ 5 أضعاف عمر الكربيد الأسمنتي.
دليل الاختيار وتوصيات الصناعة
معايير اختيار المواد
بالنسبة إلى-تكلفة إزالة الأكسدة أو المواد المقاومة للحرارة، يُفضل استخدام نيتريد الفيروسيليكون (تبلغ تكلفته 1/5-1/10 فقط من نيتريد السيليكون).
بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب-قوة درجات حرارة عالية أو أداء عزل مرتفع، يجب استخدام نيتريد السيليكون (كما هو الحال في عبوات أشباه الموصلات ومحامل-درجات الحرارة العالية).
اتجاهات الصناعة
نيتريد الفيروسيليكون:
التطوير نحو السيليكون المنخفض (60% Si) والنيتروجين العالي (N 20%+) لتلبية متطلبات صهر الفولاذ منخفض الكربون للغاية-.
نيتريد السيليكون:
يتم تحسين التوصيل الحراري إلى أكثر من 200 وات/(م·ك) من خلال تقنية البلورات النانوية (على سبيل المثال، النانو -Si₃N₄ الذي طوره معهد شنغهاي للسيراميك، الأكاديمية الصينية للعلوم).
