Фундаментальное материаловедение

Синтез оксинитрида кремния в режиме фильтрационного горения
Студеникин И.А. 1 , Грачёв В.В. 2
м.н.с. 1 , к.ф.-м.н. 2
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН,
Черноголовка, Россия
E–mail: stivan@bk.ru
Оксинитрид кремния, Si2N2O, является перспективным материалом для изготовления
изделий из современной керамики. Как и нитрид кремния, Si3N4, оксинитрид хороший
диэлектрик и обладает высокими механическими свойствами при повышенных
температурах. Но по сравнению с нитридокремниевой, оксинитридная керамика
обладает большей жаростойкостью в окислительных средах вследствие того, что этот
материал уже частично окислен (1). Порошок из Si2N2O спекается лучше, чем из Si3N4,
поэтому уменьшаются энергетические затраты и время спекания изделий из
оксинитрида при использовании современных методов порошковой металлургии –
реакционного спекания (2), горячего изостатического прессования(3,4) и
элекроразрядного спекания (5). Также оксинитрид кремния является перспективным
активатором спекания (в комплексе с традиционными MgO, Al2O3, Y2O3) для нитрида и
карбида кремния.
Одним из перспективных методов получения оксинитрида кремния (в виде порошка)
является процесс самораспростроняющегося высокотемпературного синтеза (5,6).
Работа посвящена синтезу оксинитрида кремния и выполнялась в лаборатории
макрокинетики процессов СВС в период с 2005 по 2007г. Исследовалась зависимость
химического и фазового состава продуктов горения смесей Si+SiO2, Si+SiO2+Si3N4 ,
Si+SiO2+Si2N2O в азоте (4-15 МПа), а также параметров процесса горения от состава
исходной шихты и начального давления газа..
1. Показана принципиальная возможность СВС оксинитрида кремния и определена
оптимальная область параметров синтеза однофазного продукта.
2. Предложена гипотеза о двухстадийном механизме образования оксинитрида
кремния в волне горения. На первой стадии кремний взаимодействует с азотом с
образованием нитрида кремния, который затем вступает в реакцию с оксидом с
образованием оксинитрида.
3. Начальное давление азота является удобным технологическим параметром,
позволяющим регулировать химический состав конечного продукта. Снижение
начального давления азота приводит к увеличению содержания оксинитрида в конечном
продукте.
Литература:
1. M. Ohashi, S. Kanzaki, H. Tabata, Processing, mechanical properties, and oxidation
behavior of silicon oxynitride ceramics. Journal of American Ceramic Society, 1991; 74; 109-
114.
2. M.H. Lewis, C.J. Reed, N.D. Butler, Pressureless-sintered ceramics based on the
compound Si2N2O. Materials Science and Engineering, 1985; 71; 87-94.
3. R. Larker, Reaction sintering and properties of silicon oxynitride densified by hot
isostatic pressing. Journal of American Ceramic Society, 1992; 75; 62-66.
4. J. Zeng. I. Tanaka, Y. Miyamoto, O. Yamada, K. Niihara, Densification and
microstructural development of silicon nitride – silica during hot isostatic pressing. Journal of
American Ceramic Society, 1992; 75; 148-152.
5. M. Radwan, T.Kashiwagi, Y.Miyamoto, New synthesis route for Si2N2O ceramics
based on desert sand. Journal of European Ceramic Society 2003;23;2337-41.
6. Y. Miyamoto, Ecomaterials synthesis and recycling by nitriding combustion. Current
Opinion in Solid State and Materials Science 7; 2003; 241-245.