Prečo nitrid kremíka nahrádza oceľ vo vysokovýkonnom inžinierstve- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

Základné vlastnosti nitridu kremíka (Si3N4)

Nitrid kremíka je vysokovýkonná technická keramika charakterizovaná jedinečnou kombináciou tepelných, mechanických a elektrických vlastností. Na rozdiel od mnohých iných keramických materiálov, ktoré sú pri tepelnom namáhaní krehké, sa nitrid kremíka môže pochváliť veľmi nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti a vysokou lomovou húževnatosťou. Vďaka tomu je mimoriadne odolný voči teplotným šokom, čo mu umožňuje odolávať rýchlym teplotným výkyvom bez praskania. Chemicky sa skladá z kremíka a dusíka usporiadaných v štruktúre kovalentnej väzby, čo vedie k materiálu, ktorý je takmer taký tvrdý ako diamant, pričom zostáva výrazne ľahší ako zliatiny vysokopevnej ocele.

Fyzikálne a tepelné vlastnosti

Nehnuteľnosť	Typická hodnota
Hustota	3,2 - 3,5 g/cm³
Tvrdosť (Vickers)	1400 - 1600 HV
Tepelná vodivosť	20 - 30 W/m·K
Max prevádzková teplota	Až do 1200°C

Výrobné procesy a druhy materiálov

Výkon nitridu kremíka silne závisí od metódy použitej na syntézu a zahusťovanie prášku. Pretože sa materiál netaví, musí byť formovaný procesmi spekania. Reaction Bonded Silicon Nitride (RBSN) vzniká nitridáciou kremíkového prášku, výsledkom čoho je vynikajúca rozmerová stálosť, ale vyššia pórovitosť. Na rozdiel od toho, plynom stlačený sintrovaný nitrid kremíka (GPSSN) a za tepla lisovaný nitrid kremíka (HPSN) využívajú vysoký tlak a teplotu na dosiahnutie takmer teoretickej hustoty, čím ponúkajú najvyššiu mechanickú pevnosť pre náročné letecké a automobilové aplikácie.

Sintrovaný nitrid kremíka (SSN): Používa prísady na uľahčenie zahusťovania pri vysokých teplotách.
Izostaticky lisovaný za horúca (HIP-SN): Eliminuje vnútorné mikrodutiny pre maximálnu odolnosť proti únave.
Reaction Bonded (RBSN): Najlepšie pre zložité tvary, kde sa vyžadujú úzke tolerancie bez obrábania.

Priemyselné aplikácie a inžinierske výhody

V automobilovom a leteckom priemysle je nitrid kremíka zlatým štandardom pre komponenty vysokorýchlostných ložísk. Keramické guľôčkové ložiská vyrobené z Si3N4 sú o 40 % ľahšie ako oceľ, produkujú menšie trenie a môžu krátkodobo fungovať bez mazania, čo je rozhodujúce pre núdzové scenáre v prúdových motoroch. Navyše, jeho nemagnetické a elektricky izolačné vlastnosti ho predurčujú na použitie v zariadeniach na výrobu polovodičov a lekárskych implantátoch, kde je potrebné zabrániť interferencii s magnetickou rezonanciou (MRI) alebo elektrickými obvodmi.

Kľúčové výhody v extrémnych prostrediach

Odolnosť proti korózii: Pri izbovej teplote nepriepustný pre väčšinu kyselín a zásad.
Odolnosť proti opotrebovaniu: Vynikajúca životnosť v abrazívnych prostrediach v porovnaní s karbidom volfrámu.
Vysoká tuhosť: Poskytuje vynikajúcu štrukturálnu tuhosť s Youngovým modulom približne 310 GPa.

Úvahy o dizajne komponentov z nitridu kremíka

Pri navrhovaní s nitridom kremíka musia inžinieri brať do úvahy nedostatočnú ťažnosť materiálu. Aj keď je neuveriteľne silný v kompresii, je citlivý na bodové zaťaženie a napätie. Aby sa maximalizovala životnosť keramických dielov, je nevyhnutné vyhnúť sa ostrým vnútorným rohom a využiť veľké polomery na rozloženie napätia. Okrem toho, pretože nitrid kremíka sa po spekaní ťažko obrába, komponenty by mali byť navrhnuté čo najbližšie k „sieťovému tvaru“, alebo by sa mali brúsiť pomocou nástrojov s diamantovým hrotom, aby sa dosiahli konečné tolerancie. Správna integrácia často zahŕňa použitie zmršťovacích spojov alebo špeciálnych lepidiel na spojenie keramiky s kovovými krytmi.