ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕИ ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИТРИДОВ

Теплофизические свойства. Вкристаллах неметаллических нит­ридов перенос тепла осуществляется преимущественно фононами –за счет колебаний кристаллической решетки. Уровень фононовой теплопроводности определяется также ангармоничностью колеба­ний решетки, обусловленной различием атомных масс элементов. Так, нитриды бора, алюминия, кремния, атомные массы которых близки к таковым углерода и азота, имеют теплопроводность более высокую, чем нитриды тяжелых переходных металлов.

С повышением концентрации примесей теплопроводность кристал­лов неметаллических нитридов понижается. Наиболее влияет на уро­вень теплопроводности и ее температурную зависимость изменение пористости и фазового состава, а также растворимые примеси в случае образования твердых растворов с широкой областью гомогенности.

Электрофизические свойства.Электрическая или полупроводни­ковая природа неметаллических тугоплавких нитридов обусловли­вает чрезвычайно сильное влияние примесей и дефектов кристалли­ческой решетки, а также наличие пористости, связок и других фазо­вых составляющих. Различные по содержанию примесей и других дефектов, образцы бескислородной керамики могут на несколько порядков изменять свои электрофизические свойства, а также ха­рактер зависимости этих свойств от температуры и частоты элект­ромагнитного поля. Электропроводность и ее температурная зави­симость определяются природой и концентрацией электрически ак­тивных (донорных или акцепторных) примесей, растворенных в ре­шетке, наличием других фазовых составляющих, их содержанием и характером распределения (микроструктурой).

Температурная зависимость проводимости всех неметалличе­ских тугоплавких соединений имеет характер, типичный для диэлек­триков или полупроводников, то есть наблюдается рост значений этих характеристик с повышением температуры в области собствен­ной проводимости. Для различных видов керамики на основе гекса­гонального нитрида бора температурная зависимость электросоп­ротивления типична для полупроводников с более широкой запре­щенной зоной. При низких температурах проводимость BN носит электронный характер, а при высоких – ионный. Величина электро­сопротивления зависит также от чистоты и пористости материала.

Наиболее резко влияет на уменьшение сопротивления примесь кис­лорода. Так, повышение содержания В₁О₃ в BN до 10 % снижает ве­личину электросопротивления на 4 порядка.

Для керамики на основе нитрида бора характерно сохране­ние высоких значений электросопротивления вплоть до темпера­тур 1 373... 1 473К.

Нитрид алюминия, как и нитрид бора, относится к диэлектричес­ким материалам. С повышением температуры диэлектрическая проницаемость A1N увеличивается; поскольку керамика на его основе обладает повышенной теплопроводностью, ее можно рассматривать как перспективный диэлектрический и электроизоляционный матери­ал, пригодный к эксплуатации в условиях повышенных температур и при необходимости интенсивного теплоотвода через керамику.

Нитрид кремния как диэлктрик и изолятор изучен более деталь­но по сравнению с нитридами бора и алюминия. Это объясняется повышенным интересом к исследованиям структуры и свойств от­дельных фазовых составляющих и материалов в системах Si–Me–О –N, а также детальными технологическими разработками кера­мических спеченных, горячепрессованных газофазных материалов на основе нитрида кремния. Для материалов этой группы электро­физические свойства являются определяющими при оценке их при­менимости в различных электро- и радиотехнических устройствах. Нитрид кремния является диэлектриком, в котором при помощи раз­личных методов порошковой и газофазной технологий можно фор­мировать заданные структурные состояния при участии диэлектри­ческих полупроводниковых или металлических фаз.

Механические свойства.Нитриды с ковалентной связью служат основой для создания конструкционных и инструментальных бескислородных керамических материалов, для которых механиче­ские свойства являются определяющими. Для этого класса материалов специфической особенностью являются высокая твердость и предел те­кучести в широких интервалах температур, существенно превышаю­щих соответствующие свойства металлических сплавов. В то же время бескислородная керамика принадлежит к хрупким материалам, не про­являющим макроскопической пластичности при нагружении и разру­шении вплоть до температур диссоциации соединений, являющихся их основой. Для кристаллов ковалентных нитридов характерна низкая подвижность дислокаций. Все эти особенности определяют возмож­ности относительно создания уникального класса конструкционныхматериалов, характеризующихся наибольшей среди известных ма­териалов твердостью, стойкостью к деформации и стабильностью механических свойств в широком интервале температур.

Нитрид кремния и фазы высокого давления нитрида бора являются высокотвердыми веществами. Высокая прочность направленных Sp-связей в ковалентных кристаллах определяет и высокий модуль упругости.

Приведенные сведения о механических свойствах бескислород­ной керамики при комнатной температуре (табл. 35) позволяют сде­лать заключение о том, что этот класс материалов отличается высо­кой твердостью и жесткостью. Уровень прочности и трещиностойкости может изменяться в широких пределах в зависимости от фа­зового состава и пористости.

Для оценки применимости бескислородных керамических матери­алов в условиях работы под нагрузкой при высоких температурах необ­ходимо рассмотреть их жаропрочность, ползучесть и термостойкость. Влияние температуры на прочность для бескислородных керамичес­ких материалов выражено значительно слабее, чем для металлов и ок­сидной керамики, так как подвижность дислокаций в ковалентных кристаллах существенно не меняется в широком интервале температур и хрупкий характер разрушения сохраняется вплоть до температур их диссоциации. Повышение температур в определенном интервале мо­жет приводить даже к некоторому возрастанию прочности за счет ре­лаксационных явлений в межзеренных и примесных фазах.

Таблица 35