دنیای فوق العاده سخت نیترید سیلیکون: از موتورهای جت تا آشپزخانه شما

در قلمرو جذاب مواد پیشرفته شیرجه بزنید و به سرعت با آن روبرو خواهید شد نیترید سیلیکون . این قابل توجه مواد سرامیکی چینی مادربزرگ شما نیست این ماده ای با کارایی بالا است که به لطف ترکیب فوق العاده ای از استحکام، مقاومت در برابر حرارت و سبکی، صنایع را از هوافضا تا خودروسازی متحول می کند.

دستور العمل اتمی: نیترید سیلیکون چگونه ساخته می شود

نیترید سیلیکون یک است مرکب از دو عنصر رایج روی زمین تشکیل شده است: سیلیکون (اسمن) ، ستون فقرات میکروالکترونیک و شیشه و نیتروژن (ن) ، گاز اولیه در جو ما.

ساختار شیمیایی

خواص شگفت انگیز این ترکیب از ساختار کریستالی متراکم و محکم آن ناشی می شود. یک پل خرپایی میکروسکوپی را تصور کنید: اتم های سیلیکون در یک شبکه سه بعدی به اتم های نیتروژن متصل هستند. این ترتیب فوق العاده قوی شکل می گیرد پیوندهای کووالانسی ، که برای شکستن آنها به انرژی زیادی نیاز دارند. به همین دلیل است که این ماده بسیار سخت است و در برابر گرما بسیار مقاوم است.

از پودر تا پارت

تولید یک جزء قابل استفاده نیترید سیلیکون یک فرآیند سخت است. معمولاً شامل شروع با پودرهای ریز سیلیکون و نیتروژن (یا ترکیبات حاوی آنها) و سپس استفاده از گرما و فشار شدید برای تثبیت آنها به یک بخش جامد و متراکم است.

• پیوند واکنش: پودر سیلیکون در اتمسفر نیتروژن گرم می شود و باعث می شود سیلیکون واکنش نشان داده و به نیترید سیلیکون تبدیل شود. این روش کنترل شکل عالی را ارائه می دهد.
• پرس داغ / زینترینگ: نیترید سیلیکون powder is mixed with special additives (called sintering aids) and then pressed and heated to very high temperatures (often over $1,700^\circ C$) to make the powder grains fuse together.

قهرمان افراط: چرا دوست داریم $اس{من}_3{ن}_4$

چه چیزی نیترید سیلیکون را برای مهندسان ارزشمند می کند؟ این ترکیبی از خواصی است که تعداد کمی از مواد دیگر می توانند مطابقت داشته باشند.

پایداری حرارتی و شیمیایی بی نظیر

یکی از $اسi_3{ن}_4$ ویژگی های برجسته توانایی آن برای رسیدگی است دمای بالا بدون از دست دادن قدرت برخلاف فلزاتی که نرم یا ذوب می شوند، نیترید سیلیکون یکپارچگی ساختاری خود را به خوبی حفظ می کند. $1،000^{\circ }C$ . این امر آن را به گزینه ای ایده آل برای داغ ترین قطعات موتورها و تجهیزات صنعتی تبدیل می کند. علاوه بر این، این نمایشگاه عالی است بی اثری شیمیایی به این معنی که در برابر خوردگی و تخریب بیشتر اسیدها و فلزات مذاب مقاومت می کند.

سختی، سختی و سبکی

نیترید سیلیکون فوق العاده است سخت ، پس از موادی مانند الماس و نیترید بور مکعبی در رتبه دوم قرار دارد. این سختی به مقاومت در برابر سایش عالی تبدیل می شود. مهمتر از همه، آن را نیز دارای درجه بالایی از چقرمگی شکست که مقاومت یک ماده در برابر انتشار ترک است. بیشتر سرامیک ها شکننده هستند و در هنگام ضربه به راحتی خرد می شوند. نیترید سیلیکون به گونه ای طراحی شده است که در برابر آسیب مقاوم تر باشد و آن را به یک سرامیک "سخت" تبدیل می کند. بهترین از همه، نسبتاً است سبک وزن ، یک مزیت قابل توجه نسبت به آلیاژهای فلزی با دمای بالا.

کاربردها: جایی که نیترید سیلیکون پیشرفت می کند

خواص منحصر به فرد نیترید سیلیکون درها را به روی کاربردهای بی شماری باز کرده است، اغلب در مکان هایی که انتظارش را ندارید.

انقلاب خودرو و هوافضا

قابلیت کار در دماهای بالا را ایجاد کرده است $اسi_3{ن}_4$ یک تغییر دهنده بازی برای موتورهای احتراقی و توربین ها.

• اجزای موتور: در موتورهای با کارایی بالا از نیترید سیلیکون استفاده می شود شمع های درخشان (که به راه اندازی موتورهای دیزلی کمک می کنند) و روتورهای توربوشارژر . وزن سبک آن به این معنی است که روتور می تواند سریعتر بچرخد و پاسخ موتور را بهبود بخشد.
• بلبرینگ: یکی از the most critical uses is in بلبرینگ های سرامیکی هیبریدی . عناصر نورد (گلوله) در این یاتاقان ها از نیترید سیلیکون ساخته شده اند، در حالی که نژادها از فولاد ساخته شده اند. این یاتاقان‌ها خنک‌تر هستند، عمر طولانی‌تری دارند و می‌توانند با سرعت‌های بسیار بالاتری نسبت به یاتاقان‌های تمام فولادی کار کنند – حتی در موتورهای اصلی شاتل فضایی نیز استفاده می‌شوند!

مصارف صنعتی و پزشکی

فراتر از مهندسی شدید، ویژگی‌های نیترید سیلیکون خود را به انواع ابزارهای ضروری وامی دارد.

• ابزار برش: به دلیل سختی و پایداری آن، از آن برای ایجاد دوام فوق العاده استفاده می شود درج ابزار برش برای ماشینکاری چدن و سایر فلزات سخت با سرعت بالا.
• ایمپلنت های پزشکی: زیست سازگاری آن (در بدن واکنش منفی ایجاد نمی کند) و سختی آن را به ماده ای هیجان انگیز تبدیل می کند. ایمپلنت فیوژن ستون فقرات و جایگزین های بالقوه برای مفاصل ران و زانو.
• کالاهای مصرفی: باور کنید یا نه، مقاومت سایش برتر آن حتی در کیفیت بالا نیز استفاده می شود تیغه های چاقو و نازل های دقیق

نیترید سیلیکون گواهی بر قدرت علم مواد است. مهندسان با دستکاری اجزای سازنده ماده، ماده ای ساخته اند که می تواند در برابر نیروها و دماهایی مقاومت کند که فلزات معمولی را از بین می برد و ما را به سمت فناوری های کارآمدتر، بادوام و پیشرفته تر سوق می دهد.