چرا سیلیکون نیترید جایگزین فولاد در مهندسی با کارایی بالا می شود؟- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

خواص اصلی نیترید سیلیکون (Si3N4)

نیترید سیلیکون یک سرامیک فنی با کارایی بالا است که با ترکیب منحصر به فرد خواص حرارتی، مکانیکی و الکتریکی مشخص می شود. بر خلاف بسیاری از سرامیک های دیگر که تحت تنش حرارتی شکننده هستند، نیترید سیلیکون دارای ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین و چقرمگی شکست بالا است. این باعث می شود که در برابر شوک حرارتی بسیار مقاوم باشد و به آن اجازه می دهد تا در برابر نوسانات سریع دما بدون ترک خوردن مقاومت کند. از نظر شیمیایی، از سیلیکون و نیتروژن تشکیل شده است که در یک ساختار پیوند کووالانسی چیده شده اند، که منجر به ایجاد ماده ای می شود که تقریباً به سختی الماس است در حالی که به طور قابل توجهی سبک تر از آلیاژهای فولادی با استحکام بالا است.

ویژگی های فیزیکی و حرارتی

اموال	ارزش معمولی
تراکم	3.2 - 3.5 g/cm³
سختی (ویکرز)	1400 - 1600 HV
هدایت حرارتی	20 - 30 W/m·K
حداکثر دمای عملیاتی	تا 1200 درجه سانتیگراد

فرآیندهای تولید و درجه مواد

عملکرد سیلیکون نیترید به شدت به روش استفاده شده برای سنتز و متراکم کردن پودر بستگی دارد. از آنجایی که مواد ذوب نمی شوند، باید از طریق فرآیندهای تف جوشی تشکیل شوند. سیلیکون نیترید پیوندی با واکنش (RBSN) با نیترید کردن یک پودر فشرده سیلیکونی ایجاد می شود که منجر به پایداری ابعادی عالی اما تخلخل بالاتر می شود. در مقابل، نیترید سیلیکون متخلخل تحت فشار گاز (GPSSN) و نیترید سیلیکون فشرده داغ (HPSN) از فشار و دمای بالا برای دستیابی به چگالی تقریباً نظری استفاده می‌کنند و بالاترین مقاومت مکانیکی را برای کاربردهای هوافضا و خودرو ارائه می‌دهند.

نیترید سیلیکون متخلخل (SSN): از مواد افزودنی برای تسهیل چگالش در دماهای بالا استفاده می کند.
پرس ایزواستاتیک داغ (HIP-SN): ریز حفره های داخلی را برای حداکثر مقاومت در برابر خستگی از بین می برد.
Reaction Bonded (RBSN): بهترین گزینه برای اشکال پیچیده که در آن تحمل های محکم بدون ماشین کاری مورد نیاز است.

کاربردهای صنعتی و مزایای مهندسی

در بخش خودرو و هوافضا، سیلیکون نیترید استاندارد طلایی برای قطعات بلبرینگ با سرعت بالا است. بلبرینگ های سرامیکی ساخته شده از Si3N4 40 درصد سبک تر از فولاد هستند، اصطکاک کمتری تولید می کنند و می توانند بدون روغن کاری برای دوره های کوتاه کار کنند، که برای سناریوهای اضطراری در موتورهای جت بسیار مهم است. علاوه بر این، خواص غیر مغناطیسی و عایق الکتریکی آن، آن را برای استفاده در تجهیزات تولید نیمه هادی و ایمپلنت های پزشکی ایده آل می کند، جایی که باید از تداخل با تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) یا مدارهای الکتریکی اجتناب شود.

مزایای کلیدی در محیط های شدید

مقاومت در برابر خوردگی: در دمای اتاق به اکثر اسیدها و محلول های قلیایی نفوذ ناپذیر است.
مقاومت در برابر سایش: ماندگاری عالی در محیط های ساینده در مقایسه با کاربید تنگستن.
سختی بالا: استحکام ساختاری عالی را با مدول یانگ تقریباً 310 گیگا پاسکال فراهم می کند.

ملاحظات طراحی برای اجزای نیترید سیلیکون

هنگام طراحی با سیلیکون نیترید، مهندسان باید عدم شکل‌پذیری مواد را در نظر بگیرند. در حالی که در فشرده سازی فوق العاده قوی است، به بارگذاری و کشش نقطه ای حساس است. برای به حداکثر رساندن طول عمر قطعات سرامیکی، اجتناب از گوشه های داخلی تیز و استفاده از شعاع های سخاوتمندانه برای توزیع تنش ضروری است. علاوه بر این، از آنجایی که سیلیکون نیترید پس از پخت دشوار است، اجزا باید تا حد امکان نزدیک به "شکل توری" طراحی شوند، یا برای دستیابی به تلرانس نهایی، با استفاده از ابزار با نوک الماس آسیاب شوند. یکپارچه‌سازی مناسب اغلب شامل استفاده از چسب‌های کوچک یا چسب‌های تخصصی برای چسباندن سرامیک به محفظه‌های فلزی است.