Miért váltja fel a szilícium-nitrid az acélt a nagy teljesítményű mérnökökben?- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

A szilícium-nitrid (Si3N4) alapvető tulajdonságai

Szilícium-nitrid egy nagy teljesítményű műszaki kerámia, amelyet a termikus, mechanikai és elektromos tulajdonságok egyedülálló kombinációja jellemez. Sok más kerámiától eltérően, amelyek hőterhelés hatására törékenyek, a szilícium-nitrid nagyon alacsony hőtágulási együtthatóval és nagy törésállósággal büszkélkedhet. Ez rendkívül ellenállóvá teszi a hősokkokkal szemben, lehetővé téve, hogy repedés nélkül ellenálljon a gyors hőmérséklet-ingadozásoknak. Kémiailag szilíciumból és nitrogénből áll, amelyek kovalens kötésben vannak elhelyezve, ami egy olyan anyagot eredményez, amely majdnem olyan kemény, mint a gyémánt, miközben lényegesen könnyebb marad, mint a nagy szilárdságú acélötvözetek.

Fizikai és termikus jellemzők

Tulajdonság	Tipikus érték
Sűrűség	3,2-3,5 g/cm³
Keménység (Vickers)	1400-1600 HV
Hővezetőképesség	20-30 W/m·K
Max üzemi hőm	1200°C-ig

Gyártási folyamatok és anyagminőségek

A szilícium-nitrid teljesítménye nagymértékben függ a por szintetizálására és tömörítésére használt módszertől. Mivel az anyag nem olvad meg, szinterezési folyamatokkal kell kialakítani. A Reaction Bonded Silicon Nitride (RBSN) szilíciumpor tömör nitridálásával jön létre, ami kiváló méretstabilitást, de nagyobb porozitást eredményez. Ezzel szemben a gáznyomású szinterezett szilícium-nitrid (GPSSN) és a melegen sajtolt szilícium-nitrid (HPSN) magas nyomást és hőmérsékletet használ az elméletihez közeli sűrűség eléréséhez, és a legnagyobb mechanikai szilárdságot kínálja az igényes repülőgép- és autóipari alkalmazásokhoz.

Szinterezett szilícium-nitrid (SSN): Adalékokat használ a magas hőmérsékleten történő tömörítés elősegítésére.
Meleg izosztatikus préselés (HIP-SN): Megszünteti a belső mikroüregeket a maximális fáradtságállóság érdekében.
Reaction Bonded (RBSN): A legjobb összetett formákhoz, ahol szűk tűrések szükségesek megmunkálás nélkül.

Ipari alkalmazások és mérnöki előnyök

Az autóiparban és a repülőgépiparban a szilícium-nitrid a nagy sebességű csapágyalkatrészek aranystandardja. A Si3N4-ből készült kerámia golyóscsapágyak 40%-kal könnyebbek, mint az acél, kisebb súrlódást okoznak, és rövid ideig kenés nélkül is működhetnek, ami kritikus fontosságú a sugárhajtóművek vészhelyzeti eseteiben. Ezenkívül nem mágneses és elektromosan szigetelő tulajdonságai ideálissá teszik félvezetőgyártó berendezésekben és orvosi implantátumokban való használatra, ahol el kell kerülni a mágneses rezonancia képalkotással (MRI) vagy az elektromos áramkörökkel való interferenciát.

Legfontosabb előnyök extrém környezetben

Korrózióállóság: Szobahőmérsékleten áthatolhatatlan a legtöbb savval és lúgos oldattal szemben.
Kopásállóság: Kiváló élettartam kopásálló környezetben a volfrám-karbidhoz képest.
Nagy merevség: Kiváló szerkezeti merevséget biztosít körülbelül 310 GPa Young-modulussal.

Tervezési szempontok a szilícium-nitrid alkatrészekhez

A szilícium-nitriddel történő tervezés során a mérnököknek figyelembe kell venniük az anyag képlékenységének hiányát. Bár hihetetlenül erős a tömörítés, érzékeny a pontterhelésre és a feszültségre. A kerámia alkatrészek élettartamának maximalizálása érdekében elengedhetetlen az éles belső sarkok elkerülése és a nagy sugarak alkalmazása a feszültség elosztására. Ezen túlmenően, mivel a szilícium-nitridet szinterezés után nehéz megmunkálni, az alkatrészeket a lehető legközelebb kell megtervezni a "háló alakhoz", vagy gyémántvégű szerszámmal kell köszörülni a végső tűrés elérése érdekében. A megfelelő integráció gyakran magában foglalja a zsugorkötések vagy speciális ragasztók használatát a kerámia fémházakhoz való ragasztásához.