Zašto silicijev nitrid zamjenjuje čelik u inženjerstvu visokih performansi- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

Osnovna svojstva silicijevog nitrida (Si3N4)

silicij nitrid je tehnička keramika visokih performansi koju karakterizira jedinstvena kombinacija toplinskih, mehaničkih i električnih svojstava. Za razliku od mnogih drugih keramika koje su krte pod toplinskim naprezanjem, silicijev nitrid ima vrlo nizak koeficijent toplinskog širenja i visoku otpornost na lom. To ga čini iznimno otpornim na toplinski udar, što mu omogućuje da izdrži brze temperaturne fluktuacije bez pucanja. Kemijski se sastoji od silicija i dušika raspoređenih u strukturu kovalentne veze, što rezultira materijalom koji je gotovo jednako tvrd kao dijamant, a pritom je znatno lakši od čeličnih legura visoke čvrstoće.

Fizičke i toplinske karakteristike

Vlasništvo	Tipična vrijednost
Gustoća	3,2 - 3,5 g/cm³
Tvrdoća (Vickers)	1400 - 1600 HV
Toplinska vodljivost	20 - 30 W/m·K
Maks. radna temp	Do 1200°C

Proizvodni procesi i stupnjevi materijala

Učinkovitost silicijeva nitrida uvelike ovisi o metodi koja se koristi za sintetiziranje i zgušnjavanje praha. Budući da se materijal ne topi, mora se oblikovati procesima sinteriranja. Reaction Bonded Silicon Nitride (RBSN) nastaje nitriranjem kompaktnog praha silicija, što rezultira izvrsnom dimenzionalnom stabilnošću, ali većom poroznošću. Nasuprot tome, plinski sinterirani silicij nitrid (GPSSN) i vruće prešani silicij nitrid (HPSN) koriste visoki tlak i temperaturu za postizanje gotovo teorijske gustoće, nudeći najveću mehaničku čvrstoću za zahtjevne zrakoplovne i automobilske primjene.

Sinterirani silicij nitrid (SSN): koristi aditive za olakšavanje zgušnjavanja na visokim temperaturama.
Vruće izostatički prešano (HIP-SN): Uklanja unutarnje mikro šupljine za maksimalnu otpornost na zamor.
Reaction Bonded (RBSN): najbolje za složene oblike gdje su potrebne male tolerancije bez strojne obrade.

Industrijske primjene i inženjerske prednosti

U automobilskom i zrakoplovnom sektoru, silicijev nitrid je zlatni standard za komponente ležajeva velike brzine. Keramički kuglični ležajevi izrađeni od Si3N4 40% su lakši od čelika, proizvode manje trenja i mogu raditi bez podmazivanja kratka razdoblja, što je kritično za hitne scenarije u mlaznim motorima. Nadalje, njegova nemagnetska i električna izolacijska svojstva čine ga idealnim za upotrebu u opremi za proizvodnju poluvodiča i medicinskih implantata, gdje se moraju izbjegavati smetnje s magnetskom rezonancijom (MRI) ili električnim krugovima.

Ključne prednosti u ekstremnim okruženjima

Otpornost na koroziju: Neotporan na većinu kiselina i alkalnih otopina na sobnoj temperaturi.
Otpornost na habanje: Superiorna dugovječnost u abrazivnim okruženjima u usporedbi s volfram karbidom.
Visoka krutost: Pruža izvrsnu strukturnu krutost s Youngovim modulom od približno 310 GPa.

Razmatranja dizajna za komponente silicij nitrida

Prilikom projektiranja sa silicijevim nitridom, inženjeri moraju uzeti u obzir nedostatak duktilnosti materijala. Iako je nevjerojatno jak u kompresiji, osjetljiv je na točkasto opterećenje i napetost. Kako bi se povećao životni vijek keramičkih dijelova, bitno je izbjegavati oštre unutarnje kutove i koristiti velike radijuse za raspodjelu naprezanja. Dodatno, budući da je silicijev nitrid teško strojno obraditi nakon sinteriranja, komponente bi trebale biti dizajnirane što bliže "mrežastom obliku" ili brušene pomoću alata s dijamantnim vrhom kako bi se postigle konačne tolerancije. Pravilna integracija često uključuje korištenje steznih spojeva ili specijaliziranih ljepila za lijepljenje keramike na metalna kućišta.