Keramika z nitridu kremíka: Výnimočný výkon a budúce aplikácie

Úvod: Jasná hviezda pokročilej keramiky

V súvjelosti s rastúcim dopytom moderného priemyslu po vynikajúcich materiálových vlastnostiach, Keramika z nitridu kremíka ( $S{i}_3{N}_4$ ), sa javí ako vynikajúci vysokoteplotná konštrukčná keramika . Hrá rozhodujúcu úlohu v mnohých vysoko namáhaných a vysoko presných strojárskych odvetviach vďaka svojej bezkonkurenčnej kombinácii vlastností. Úspech keramiky z nitridu kremíka je spôsobený predovšetkým jej unikátnou chemickou väzbou a mikroštruktúrou, ktorá jej umožňuje udržiavať vysoká pevnosť, vynikajúca odolnosť proti opotrebovaniu, a vynikajúca odolnosť proti tepelným šokom v extrémnych prevádzkových podmienkach.

Vlastnosti jadra a mikroštruktúra

Chemický vzorec pre Keramika z nitridu kremíka is $S{i}_3{N}_4$ , prevažne kovalentne viazaná zlúčenina. Jeho vynikajúci výkon pochádza z jeho jedinečnej šesťuholníkovej kryštálovej štruktúry, ktorá sa vyskytuje hlavne v $\alpha$ fázy a $\beta$ fázy .

• Fázová transformácia a húževnatosť: Počas spekania často dochádza k premene z $\alpha$ fázy to the thermodynamically more stable $\beta$ fázy. The ideal silicon nitride microstructure consists of predĺžený $\beta -S{i}_3{N}_4$ zrná s vysokým pomerom strán , ktoré sa do seba zapadajú a tvoria a "vystužené fúzami" štruktúru. Keď sa trhlina šíri, tieto zrná rozptyľujú energiu prostredníctvom mechanizmov, ako je napr vychýlenie trhlín, premostenie trhlín a vytrhnutie zrna , čím poskytuje pozoruhodne vysoká lomová húževnatosť ( $K_{IC}\approx 5-10\text{MPa}\cdot \sqrt{\text{m}}$ ) , čím je medzi keramickými materiálmi výnimočný.

• Mechanické vlastnosti pri vysokej teplote: Nitrid kremíka má nízku hustotu (približne $3.2\text{g}/{\text{cm}}^3$ ), napriek tomu si zachováva mimoriadne vysoké hodnoty pevnosť v ohybe a tvrdosť pri zvýšených teplotách, súčasne vykazuje vynikajúce odolnosť proti tečeniu a odolnosť proti mechanickej únave .

• Tepelná stabilita: Ďalšou kľúčovou výhodou je jeho extrémne nízka koeficient tepelnej rozťažnosti a dobre tepelná vodivosť. Táto kombinácia dáva keramike vynikajúca odolnosť proti tepelným šokom , čo mu umožňuje bez zlyhania odolávať rýchlym a prudkým zmenám teploty.

• Chemická inertnosť: Nitrid kremíka sa prejavuje vynikajúco odolnosť proti korózii a nezmáčavosť proti mnohým kyselinám, zásadám a roztaveným kovom (ako je hliník a zinok).

Hlavné výrobné procesy

Dosiahnutie úplného zahustenia keramiky z nitridu kremíka je obzvlášť náročné, pretože $S{i}_3{N}_4$ je vysoko kovalentný a má relatívne nízku teplotu rozkladu. Medzi hlavné metódy priemyselnej prípravy patria:

1. Nitrid kremíka lisovaný za tepla (HPSN): Zahustenie sa dosiahne pridaním pomocných prostriedkov na spekanie pri vysokej teplote (cca. $1700-1800^{\circ }\text{C}$ ) a vysoký tlak (cca. $10-40\text{MPa}$ ). Funkcia materiálov HPSN veľmi nízka pórovitosť a vynikajúce mechanické vlastnosti , často používané pre vysokovýkonné rezné nástroje.

2. Beztlakové spekanie/plynové tlakové spekanie (SSN/GPSN): Spekanie sa uskutočňuje v atmosfére s vysokým obsahom dusíka. GPSN účinne potláča rozklad $S{i}_3{N}_4$ pri vysokých teplotách, čo z neho robí preferovaný spôsob výroba zložitých tvarových komponentov vyváženie výkonu a nákladov.

3. Reakciou viazaný nitrid kremíka (RBSN): Ako východiskový materiál sa používa silikónový prášok, ktorý priamo reaguje v dusíkovej atmosfére $S{i}_3{N}_4$ . Tento proces ponúka minimálna zmena rozmerov a nižšie náklady , ale konečný materiál má zvyčajne vyššiu pórovitosť.

Typické aplikačné polia

Jedinečná kombinácia vlastností Keramika z nitridu kremíka robí z neho ideálnu voľbu pre rôzne náročné aplikácie:

• Valivé ložiská (hybridné ložiská): Keramické guľôčky z nitridu kremíka (používané s oceľovými vnútornými a vonkajšími krúžkami) sa široko používajú vo vysokorýchlostných vretenách obrábacích strojov, generátoroch veterných turbín, leteckých motoroch a hybridných ložiskách elektrických vozidiel (EV). Je to kvôli ich nízka hustota (zníženie odstredivého zaťaženia), vysoká tvrdosť, samomazací charakter, a odolnosť proti korózii , ktoré výrazne zvyšujú prevádzkovú rýchlosť a životnosť.

• Komponenty automobilového motora: V spaľovacích motoroch jeho vysoká pevnosť a nízka hmotnosť vlastnosti sa využívajú v komponentoch, ako sú rotory turbodúchadiel, regulačné ventily výfukových plynov a žeraviace sviečky, čím sa zvyšuje účinnosť motora a znižuje sa emisie.

• Nástroje na rezanie: Vložky z nitridu kremíka sú obzvlášť vhodné pre vysokorýchlostné obrábanie liatiny a superzliatin na báze niklu , kde ich vysokoteplotná stabilita a odolnosť proti opotrebovaniu ďaleko prevyšujú konvenčné slinuté karbidy.

• Tepelné spracovanie a manipulácia s roztaveným kovom: Využívanie jeho odolnosť proti tepelným šokom a chemická odolnosť , používa sa v ochranných trubiciach termočlánkov, prenosových trubiciach roztaveného kovu a dýzach.

Záver a výhľad

Keramika z nitridu kremíka predstavuje špičku pokročilej stavebnej keramiky. Jeho jedinečná kombinácia vysoká pevnosť, vysoká húževnatosť, ľahká povaha a výnimočná tepelná stabilita je nepostrádateľný v kritických inžinierskych oblastiach. S neustálym pokrokom vo výrobných technológiách novej generácie, najmä v optimalizácii rastu zŕn a mikroštruktúrnej kontrole, sa bude nákladová efektívnosť a výkon nitridu kremíka naďalej zlepšovať.

Pri pohľade do budúcnosti je nitrid kremíka nastavený nielen na to, aby si udržal svoju úlohu v tradičných vysokovýkonných mechanických a tepelných aplikáciách, ale otvorí aj širšie možnosti v rozvíjajúcich sa sektoroch, ako napr. nová energia (napr. palivové články), vysokovýkonné elektronické substráty, a biomedicínske implantáty , čím sa stáva kľúčovým základným kameňom budúceho technologického rozvoja.