Reaction-bonded silicon nitride is a promising material for applications in high temperature material. However, a problem associated with current fabrication is that the reaction kinetics for such nitridation are extremely difficult to control.
The influence of nitridation conditions, especially the different nitrogen gas state, and the effect of $Fe_2O_3$ as an additive in high purity silicon powder compact to the formation of reaction-bonded silicon nitride were investigated.
Reaction-bonded silicon nitride was formed by heating silicon powder compacts in a nitrogen atmosphere to temperature in the range of 1300 to 1380℃ for several hours.
It was shown that the increase of reaction temperature parabolically raised the rate of reaction. It was also noted that the experiment under "Static" nitrogen condition enhanced the nitridation.
Experimental evidence indicated that the addition of $Fe_2O_3$ to silicon less than one weight percent significantly promoted the reaction by effective removing the protective silica film on silicon powder.
The ratio of α-$Si_3N_4$ to β-$Si_3N_4$ formed during nitridation was decreased with the increase of reaction temperature. Micrographical evidence of α and β silicon nitrides were also discussed.
$Si_3N_4$ 의 반응결합에 있어서 $Fe_2O_3$의 첨가 및 반응시의 질소 가스의 상태 그리고 반응온도 및 시간에 대한 영향을 규명하였으며 결합반응시 생성되는 α-$Si_3N_4$ 와 β-$Si_3N_4$ 상의 상대량이 소결 온도에 따라 어떻게 변화 하는가를 X -선 회절분석에 의하여 검토하였다.
순수한 실리콘 분말과, 실리콘 분말에 $Fe_2O_3$를 첨가한 분말을 가압성형하여 질소가스 분위기로 1300~1380℃에서 3~25시간 반응결합하였다.
순수한 실리콘 분말에 비하여 $Fe_2O_3$ 분말을 첨가한 시편이 10~15%의 반응량의 증가를 나타내었다.
질소기체를 정체상태로 반응시킨 경우의 $Si_3N_4$ 생성량이 유동 기체상태에서 반응된 경우보다 반응량이 증가하고 있으며 반응온도 및 시간의 증가에 따라 반응량도 향상되었다.
생성된 $Si_3N_4$중의 β-$Si_3N_4$에 대한 α-$Si_3N_4$의 양의 비는 소결온도의 증가에 따라 대체적으로 감소하는 경향을 보이고 있으며 미세조직검사에서 보면 α-$Si_3N_4$은 matte모양으로 관찰되며 β-$Si_3N_4$는 6각봉상형의 Spike형태로 성장함을 알 수 있었다.
전반적으로 반응결합에 의한 $Si_3N_4$의 제조는 실험조건에 따라 아주 민감하게 반응하므로 이에 대한 연구에 많은 어려움이 따른다.
