Μια μη μεταλλική ένωση που αποτελείται από πυρίτιο και άζωτο, το νιτρίδιο του πυριτίου (Si3N4) είναι επίσης ένα προηγμένο κεραμικό υλικό με το πιο προσαρμόσιμο μείγμα μηχανικών, θερμικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων. Επιπλέον, σε σύγκριση με τα περισσότερα άλλα κεραμικά, είναι ένα κεραμικό υψηλής απόδοσης με χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής που προσφέρει εξαιρετική αντοχή στο θερμικό σοκ.
Χαρακτηριστικά
Λόγω του χαμηλού του συντελεστή θερμικής διαστολής, το υλικό έχει πολύ υψηλή αντοχή στο θερμικό σοκ και καλή αντοχή σε θραύση. Τα τεμάχια εργασίας Si3N4 είναι ανθεκτικά σε κρούσεις και κραδασμούς. Αυτά τα τεμάχια μπορούν να ανεχθούν θερμοκρασίες λειτουργίας έως και 1400 °C και είναι ανθεκτικά σε χημικά, διαβρωτικά αποτελέσματα και συγκεκριμένα λιωμένα μέταλλα όπως το αλουμίνιο, καθώς και σε οξέα και αλκαλικά διαλύματα. Ένα άλλο χαρακτηριστικό είναι η χαμηλή του πυκνότητα. Έχει χαμηλή πυκνότητα 3,2 έως 3,3 g/cm3, η οποία είναι σχεδόν τόσο ελαφριά όσο το αλουμίνιο (2,7 g/cm3) και έχει μέγιστη αντοχή κάμψης ≥900 MPa.
Επιπλέον, το Si3N4 χαρακτηρίζεται από υψηλή αντοχή στη φθορά και υπερβαίνει τις ιδιότητες υψηλής θερμοκρασίας των περισσότερων μετάλλων, όπως αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία και αντοχή σε ερπυσμό. Προσφέρει ένα ανώτερο μείγμα ερπυσμού και αντοχής στην οξείδωση και υπερτερεί των δυνατοτήτων υψηλής θερμοκρασίας της πλειονότητας των μετάλλων. Χάρη στη χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και την ισχυρή αντοχή στη φθορά, μπορεί να αντέξει στις πιο σκληρές συνθήκες στις πιο απαιτητικές βιομηχανικές εφαρμογές. Επιπλέον, το νιτρίδιο του πυριτίου είναι μια εξαιρετική επιλογή όταν απαιτούνται δυνατότητες υψηλής θερμοκρασίας και υψηλού φορτίου.
Ιδιότητες
● Υψηλή αντοχή σε θραύση
● Καλή αντοχή σε κάμψη
● Εξαιρετικά χαμηλή πυκνότητα
● Απίστευτη ισχυρή αντίσταση σε θερμικό σοκ
● Υψηλή θερμοκρασία εργασίας σε οξειδωτικές ατμόσφαιρες
Μέθοδος Παραγωγής
Οι πέντε διαφορετικές διαδικασίες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή νιτριδίου του πυριτίου—οδηγούν σε ελαφρώς διαφορετικά υλικά εργασίας και εφαρμογές.
SRBSN (νιτρίδιο πυριτίου με δεσμό αντίδρασης)
GPSN (νιτρίδιο πυριτίου συντηγμένο με πίεση αερίου)
HPSN (νιτρίδιο πυριτίου θερμής συμπίεσης)
HIP-SN (ζεστό νιτρίδιο πυριτίου με ισοστατική πίεση)
RBSN (νιτρίδιο πυριτίου με δεσμό αντίδρασης)
Μεταξύ αυτών των πέντε, το GPSN είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος παραγωγής.
Παραδείγματα Εφαρμογών
Μπάλες και κυλιόμενα στοιχεία για το φως
Λόγω της μεγάλης αντοχής στη θραύση και των καλών τριβολογικών ιδιοτήτων, τα κεραμικά νιτριδίου του πυριτίου είναι ιδανικά για χρήση ως σφαιρίδια και στοιχεία κύλισης για ελαφριά, εξαιρετικά ακριβή ρουλεμάν, κεραμικά εργαλεία μορφοποίησης βαρέως τύπου και εξαρτήματα αυτοκινήτου με υψηλή πίεση. Επιπλέον, οι τεχνικές συγκόλλησης χρησιμοποιούν την ισχυρή αντίσταση των υλικών σε θερμικό σοκ και την αντίσταση σε υψηλές θερμοκρασίες.
Εφαρμογές Υψηλής Θερμοκρασίας
Επιπλέον, έχει χρησιμοποιηθεί από καιρό σε εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών. Το γεγονός ότι είναι ένα από τα λίγα μονολιθικά κεραμικά υλικά που μπορούν να αντέξουν το ακραίο θερμικό σοκ και τις διαβαθμίσεις θερμοκρασίας που παράγονται από πυραυλοκινητήρες υδρογόνου/οξυγόνου.
Αυτοκινητοβιομηχανία
Επί του παρόντος, το υλικό νιτριδίου του πυριτίου χρησιμοποιείται κυρίως στην αυτοκινητοβιομηχανία σε εφαρμογές για εξαρτήματα κινητήρων και αξεσουάρ κινητήρα, όπως στροβιλοσυμπιεστές για χαμηλότερη αδράνεια και μειωμένες καθυστερήσεις και εκπομπές ρύπων, προθερμαντήρες για ταχύτερη εκκίνηση, βαλβίδες ελέγχου καυσαερίων για αυξημένη επιτάχυνση και τακάκια βραχιόνων για κινητήρες αερίου για χαμηλότερη φθορά.
Βιομηχανία Ηλεκτρονικών
Λόγω των διακριτών ηλεκτρικών ιδιοτήτων του, σε εφαρμογές μικροηλεκτρονικής, το νιτρίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο ως μονωτικό και χημικό φράγμα στην παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για την ασφαλή συσκευασία συσκευών. Το νιτρίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται ως στρώμα παθητικοποίησης με ένα υψηλό φράγμα διάχυσης έναντι των ιόντων νατρίου και του νερού, τα οποία είναι δύο βασικές αιτίες διάβρωσης και αστάθειας στη μικροηλεκτρονική. Στους πυκνωτές για αναλογικές συσκευές, η ουσία χρησιμοποιείται επίσης ως ηλεκτρικός μονωτήρας μεταξύ στρωμάτων πολυπυριτίου.
συμπέρασμα
Τα κεραμικά νιτριδίου του πυριτίου είναι χρηστικά υλικά. Κάθε τύπος αυτού του κεραμικού έχει μοναδικά χαρακτηριστικά που το καθιστούν χρήσιμο σε διάφορους τομείς. Η κατανόηση των πολλών ποικιλιών κεραμικών νιτριδίου του πυριτίου καθιστά εύκολη την επιλογή του καλύτερου για μια δεδομένη εφαρμογή.
