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 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程中使用所有三種形成氮化硅的方法原位形成。通過這些工藝，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。