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  • XRD应用——氮化硅陶瓷材料晶体结构解析

    应用解决方案 | 日期:2022-11-07 | 阅读:

氮化硅陶瓷简介


氮化硅(Si3N4)是一种由硅和氮组成的共价键化合物,1857年被发现,到1955年,其作为陶瓷材料实现了大规模生产。氮化硅的强度很高,尤其是热压氮化硅,是世界上最坚硬的物质之一,具有优异的耐高温、抗酸碱和金属液侵蚀、抗氧化、耐磨、高强度和高韧性以及低介电常数和低介电损耗等本征性质。


氮化硅陶瓷的应用


氮化硅陶瓷因具有耐高温、耐腐蚀、耐磨性能和独特的电性能,而被应用于航天军工、机械工程、通讯、电子、汽车、能源、化工生物等领域。


在冶金工业上:制成马弗炉炉膛、燃烧嘴、坩埚、铸模、铝液导管、热电偶测温保护用套管、发热体夹具、铝电解槽衬里等热工设备上的部件;


在化学工业上:制成泵体、密封环、燃烧舟、球阀、热交换器部件、过滤器、固定化触媒载体、蒸发皿等;


在机械工业上:制成轴承、高速车刀、金属部件热处理的支承件、转子发动机刮片、燃气轮机的导向叶片、涡轮叶片等;


在航空、半导体、原子能等工业上:用于制造薄膜电容器、承受高温或温度剧变的电绝缘体、功率半导体器件中的导热基板、开关电路基片、天线罩透波材料、导弹尾喷管、原子反应堆中的隔离件和支承件、核裂变物质的载体等;


医疗行业:氮化硅具备出色的生物相容性、生物活性、抗细菌性、骨亲和力,而且可以提供特别光滑和耐磨的表面,在医疗工业中是制造外科螺钉、板和轴承的材料,被用于假肢髋部、膝关节和牙科植入物等应用中,此外,氮化硅复合材料也可用于颈椎间隔器和脊柱融合装置。


氮化硅陶瓷晶体结构


氮化硅常见的主要有两种晶体结构:α相与β相,前者为针状结晶体,呈白色或灰白色,后者颜色较深,呈致密的颗粒状多面体或短棱柱体,两者均属于六方晶系。

一般来说,高质量的Si3N4粉应具有α相含量高,组成均匀,杂质少且在陶瓷中分布均匀,粒径小且粒度分布窄及分散性好等特性。好的Si3N4粉中α相至少应占90%,这是由于Si3N4在烧结过程中,部分α相会转变成β相,而没有足够的α相含量,就会降低陶瓷材料的强度。


XRD在氮化硅陶瓷分析中的应用


X射线衍射(XRD)是材料领域研究的一个必不可少的工具,不论是对未知物质的晶体结构解析,还是对多相混合物的物相进行鉴定,XRD都发挥了不可或缺的作用。

Si3N4的α相和β相是同质异晶体,使用X射线衍射仪(XRD)技术可以很容易检测其中α相与β相的含量,能为Si3N4的研发、质量管控、生产等提供了有力的数据支持。浪声界FRINGE 桌面式X射线衍射仪操作简单,同时具有高分析速度、极低的检测限和强稳定性等特点,非常适用于氮化硅陶瓷领域。


应用案例


使用界FRINGE 对客户的Si3N4材料进行检测分析,采集样本的衍射图谱,测量分析氮化硅的物相。

XRD在氮化硅陶瓷材料领域中的应用(图1)


从分析结果表明FRINGE采集衍射图谱,CrystalX软件分析后展示Si3N4精密陶瓷样品含有92.10% α相Si3N4及7.90% β相Si3N4

XRD在氮化硅陶瓷材料领域中的应用(图2)