Nekovová sloučenina složená z křemíku a dusíku, nitrid křemíku (Si3N4), je také pokročilý keramický materiál s nejpřizpůsobivější kombinací mechanických, tepelných a elektrických vlastností. Ve srovnání s většinou jiné keramiky se navíc jedná o vysoce výkonnou keramiku s nízkým koeficientem tepelné roztažnosti, která nabízí vynikající odolnost proti tepelným šokům.
Funkce
Díky nízkému koeficientu tepelné roztažnosti má materiál velmi vysokou odolnost proti tepelným šokům a dobrou lomovou houževnatost. Obrobky Si3N4 jsou odolné vůči nárazům a otřesům. Tyto obrobky snesou provozní teploty až 1400 °C a jsou odolné vůči chemikáliím, korozivním vlivům a specifickým roztaveným kovům, jako je hliník, a také kyselinám a alkalickým roztokům. Další vlastností je jeho nízká hustota. Má nízkou hustotu 3,2 až 3,3 g/cm3, což je téměř stejně lehké jako hliník (2,7 g/cm3), a má maximální pevnost v ohybu ≥900 MPa.
Kromě toho se Si3N4 vyznačuje vysokou odolností proti opotřebení a překonává vysokoteplotní vlastnosti většiny kovů, jako je pevnost při vysokých teplotách a odolnost proti tečení. Nabízí vynikající kombinaci odolnosti proti tečení a oxidaci a překonává vysokoteplotní schopnosti většiny kovů. Díky nízké tepelné vodivosti a silné odolnosti proti opotřebení odolá nejtvrdším podmínkám v nejnáročnějších průmyslových aplikacích. Kromě toho je nitrid křemíku skvělou volbou, když jsou vyžadovány vysoké teploty a vysoké zatížení.
Vlastnosti
● Vysoká lomová houževnatost
● Dobrá pevnost v ohybu
● Extrémně nízká hustota
● Neuvěřitelně silná odolnost proti tepelným šokům
● Vysoká pracovní teplota v oxidační atmosféře
Způsob výroby
Pět různých procesů používaných k výrobě nitridu křemíku – vede k mírně odlišným pracovním materiálům a aplikacím.
SRBSN (reakčně vázaný nitrid křemíku)
GPSN (sintrovaný nitrid křemíku pod tlakem plynu)
HPSN (za tepla lisovaný nitrid křemíku)
HIP-SN (za tepla izostaticky lisovaný nitrid křemíku)
RBSN (reakčně vázaný nitrid křemíku)
Mezi těmito pěti je GPSN nejčastěji používaným způsobem výroby.
Příklady aplikací
Koule a valivé prvky pro světlo
Díky své velké lomové houževnatosti a dobrým tribologickým vlastnostem se keramika z nitridu křemíku ideálně hodí pro použití jako kuličky a valivá tělesa pro lehká, extrémně přesná ložiska, vysoce namáhané keramické tvářecí nástroje a vysoce namáhané automobilové součásti. Kromě toho svařovací techniky využívají vysokou odolnost materiálů vůči tepelným šokům a odolnost vůči vysokým teplotám.
Vysokoteplotní aplikace
Kromě toho se již dlouho používá ve vysokoteplotních aplikacích. Skutečnost, že jde o jeden z mála monolitických keramických materiálů, který dokáže odolat extrémním teplotním šokům a teplotním gradientům produkovaným vodíkovými/kyslíkovými raketovými motory.
Automobilový průmysl
V současné době se materiál nitrid křemíku používá především v automobilovém průmyslu v aplikacích pro díly motorů a jednotky příslušenství motoru, jako jsou turbodmychadla pro nižší setrvačnost a snížení prodlevy motoru a emisí, žhavicí svíčky pro rychlejší start, regulační ventily výfukových plynů pro zvýšenou akceleraci a podložky vahadel pro plynové motory pro snížení opotřebení.
Elektronický průmysl
Díky svým odlišným elektrickým vlastnostem se v aplikacích mikroelektroniky nitrid křemíku stále více používá jako izolátor a chemická bariéra při výrobě integrovaných obvodů pro bezpečné balení zařízení. Nitrid křemíku se používá jako pasivační vrstva s vysokou difúzní bariérou proti sodným iontům a vodě, což jsou dvě klíčové příčiny koroze a nestability v mikroelektronice. V kondenzátorech pro analogová zařízení se látka také používá jako elektrický izolátor mezi polysilikonovými vrstvami.
Závěr
Keramika z nitridu křemíku je užitkový materiál. Každý typ této keramiky má jedinečné vlastnosti, díky kterým je užitečný v různých odvětvích. Pochopení mnoha druhů keramiky z nitridu křemíku usnadňuje výběr té nejlepší pro danou aplikaci.
