Niemetaliczny związek składający się z krzemu i azotu, azotek krzemu (Si3N4) jest również zaawansowanym materiałem ceramicznym o najbardziej elastycznym połączeniu właściwości mechanicznych, termicznych i elektrycznych. Dodatkowo, w porównaniu z większością innych materiałów ceramicznych, jest to ceramika o wysokich parametrach o niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej, która zapewnia doskonałą odporność na szok termiczny.
Cechy
Dzięki niskiemu współczynnikowi rozszerzalności cieplnej materiał ten charakteryzuje się bardzo wysoką odpornością na szok termiczny oraz dobrą odpornością na pękanie. Elementy obrabiane Si3N4 są odporne na uderzenia i wstrząsy. Te elementy obrabiane wytrzymują temperatury robocze do 1400°C i są odporne na chemikalia, działanie korozyjne i określone stopione metale, takie jak aluminium, a także kwasy i roztwory alkaliczne. Kolejną cechą jest jego niska gęstość. Ma niską gęstość od 3,2 do 3,3 g/cm3, czyli jest prawie tak lekki jak aluminium (2,7 g/cm3), i ma maksymalną wytrzymałość na zginanie ≥900 MPa.
Ponadto Si3N4 charakteryzuje się wysoką odpornością na zużycie i przewyższa właściwości wysokotemperaturowe większości metali, takie jak wytrzymałość w wysokich temperaturach i odporność na pełzanie. Oferuje doskonałe połączenie odporności na pełzanie i utlenianie oraz przewyższa właściwości większości metali w zakresie wysokich temperatur. Dzięki niskiej przewodności cieplnej i dużej odporności na zużycie może wytrzymać najtrudniejsze warunki w najbardziej wymagających zastosowaniach przemysłowych. Co więcej, azotek krzemu to świetna opcja, gdy wymagane są wysokie temperatury i wysokie obciążenia.
Nieruchomości
● Wysoka odporność na pękanie
● Dobra wytrzymałość na zginanie
● Wyjątkowo niska gęstość
● Niesamowita odporność na szok termiczny
● Wysoka temperatura pracy w atmosferach utleniających
Metoda produkcji
Pięć różnych procesów stosowanych do wytwarzania azotku krzemu prowadzi do nieco innych materiałów roboczych i zastosowań.
SRBSN (reakcyjny azotek krzemu)
GPSN (azotek krzemu spiekany pod ciśnieniem gazu)
HPSN (tłoczony na gorąco azotek krzemu)
HIP-SN (azotek krzemu prasowany izostatycznie na gorąco)
RBSN (reakcyjny azotek krzemu)
Spośród tych pięciu najczęściej stosowaną metodą produkcji jest GPSN.
Przykłady aplikacji
Kulki i elementy toczne do światła
Ze względu na dużą odporność na pękanie i dobre właściwości tribologiczne ceramika z azotku krzemu idealnie nadaje się do stosowania jako kulki i elementy toczne w lekkich, niezwykle precyzyjnych łożyskach, narzędziach do formowania ceramiki o dużej wytrzymałości i mocno obciążonych elementach samochodowych. Ponadto techniki spawania wykorzystują dużą odporność materiałów na szok termiczny i odporność na wysokie temperatury.
Zastosowania wysokotemperaturowe
Poza tym od dawna jest stosowany w zastosowaniach wysokotemperaturowych. Fakt, że jest to jeden z niewielu monolitycznych materiałów ceramicznych, które mogą wytrzymać ekstremalne szoki termiczne i gradienty temperatury wytwarzane przez wodorowo-tlenowe silniki rakietowe.
Branża motoryzacyjna
Obecnie materiał z azotku krzemu jest stosowany głównie w przemyśle motoryzacyjnym w aplikacjach na części silników i zespoły akcesoriów do silników, takie jak turbosprężarki o mniejszej bezwładności oraz zmniejszone opóźnienie i emisje silnika, świece żarowe do szybszego rozruchu, zawory sterujące spalinami do zwiększenia przyspieszenia, i podkładki wahaczy do silników gazowych w celu zmniejszenia zużycia.
Branża elektroniczna
Ze względu na swoje szczególne właściwości elektryczne, w zastosowaniach mikroelektronicznych azotek krzemu jest coraz częściej stosowany jako izolator i bariera chemiczna w produkcji układów scalonych do bezpiecznego pakowania urządzeń. Azotek krzemu jest wykorzystywany jako warstwa pasywacyjna z wysoką barierą dyfuzyjną dla jonów sodu i wody, które są dwiema głównymi przyczynami korozji i niestabilności w mikroelektronice. W kondensatorach do urządzeń analogowych substancja ta jest również wykorzystywana jako izolator elektryczny między warstwami polikrzemu.
Wniosek
Ceramika z azotku krzemu to materiały użytkowe. Każdy rodzaj tej ceramiki ma unikalne cechy, które sprawiają, że jest przydatna w różnych sektorach. Zrozumienie wielu odmian ceramiki z azotku krzemu ułatwia wybór najlepszej dla danego zastosowania.
