สารประกอบอโลหะที่ประกอบด้วยซิลิคอนและไนโตรเจน ซิลิคอนไนไตรด์ (Si3N4) ยังเป็นวัสดุเซรามิกขั้นสูงที่มีคุณสมบัติทางกล ความร้อน และไฟฟ้าที่ปรับเปลี่ยนได้มากที่สุด นอกจากนี้ เมื่อเทียบกับเซรามิกอื่นๆ ส่วนใหญ่แล้ว เซรามิกชนิดนี้ยังเป็นเซรามิกประสิทธิภาพสูงที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำซึ่งให้ความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้ดีเยี่ยม

คุณสมบัติ

เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ วัสดุนี้จึงมีความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสูงมากและมีความเหนียวแตกหักที่ดี ชิ้นงาน Si3N4 ทนทานต่อแรงกระแทกและการกระแทก ชิ้นงานเหล่านี้สามารถทนอุณหภูมิการทำงานได้สูงถึง 1,400 °C และทนทานต่อสารเคมี ฤทธิ์กัดกร่อน และโลหะหลอมเหลวเฉพาะ เช่น อะลูมิเนียม ตลอดจนกรดและสารละลายด่าง คุณสมบัติอีกประการหนึ่งคือความหนาแน่นต่ำ มีความหนาแน่นต่ำ 3.2 ถึง 3.3 g/cm3 ซึ่งเบาเกือบเท่าอะลูมิเนียม (2.7 g/cm3) และมีความแข็งแรงดัดสูงสุด ≥900 MPa

นอกจากนี้ Si3N4 ยังโดดเด่นด้วยความทนทานต่อการสึกหรอสูงและเกินกว่าคุณสมบัติที่อุณหภูมิสูงของโลหะส่วนใหญ่ เช่น ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงและการต้านทานการคืบ มีส่วนผสมที่เหนือกว่าระหว่างการคืบและการต้านทานการเกิดออกซิเดชัน และมีประสิทธิภาพเหนือกว่าความสามารถที่อุณหภูมิสูงของโลหะส่วนใหญ่ เนื่องจากมีการนำความร้อนต่ำและทนทานต่อการสึกหรอได้ดี จึงสามารถทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่สมบุกสมบันที่สุดในการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่มีความต้องการมากที่สุด นอกจากนี้ ซิลิคอนไนไตรด์ยังเป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมเมื่อต้องการอุณหภูมิสูงและความสามารถในการรับน้ำหนักสูง

คุณสมบัติ

● ความเหนียวแตกหักสูง

● ความแข็งแรงดัดที่ดี

● ความหนาแน่นต่ำมาก

● ต้านทานแรงกระแทกจากความร้อนที่แข็งแกร่งอย่างไม่น่าเชื่อ

● อุณหภูมิการทำงานสูงในบรรยากาศออกซิไดซ์

วิธีการผลิต

ห้ากระบวนการต่างๆ ที่ใช้ในการผลิตซิลิกอนไนไตรด์—นำไปสู่วัสดุการทำงานและการใช้งานที่แตกต่างกันเล็กน้อย

• SRBSN (ซิลิกอนไนไตรด์ที่จับกับปฏิกิริยา)

• GPSN (ความดันก๊าซซิลิกอนไนไตรด์ซินเทอร์)

• HPSN (ซิลิคอนไนไตรด์แบบกดร้อน)

• HIP-SN (ซิลิกอนไนไตรด์อัดไอโซสแตติกร้อน)

• RBSN (ซิลิกอนไนไตรด์ที่จับกับปฏิกิริยา)

ในบรรดาห้าวิธีนี้ GPSN เป็นวิธีการผลิตที่ใช้บ่อยที่สุด

ตัวอย่างการใช้งาน

ลูกบอลและองค์ประกอบกลิ้งสำหรับแสง

เนื่องจากความเหนียวในการแตกหักสูงและคุณสมบัติทางไตรโบโลยีที่ดี เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับใช้เป็นลูกกลมและชิ้นส่วนกลิ้งสำหรับตลับลูกปืนน้ำหนักเบาที่มีความแม่นยำสูง เครื่องมือขึ้นรูปเซรามิกสำหรับงานหนัก และชิ้นส่วนยานยนต์ที่มีความเครียดสูง นอกจากนี้ เทคนิคการเชื่อมใช้ประโยชน์จากวัสดุที่มีความทนทานต่อแรงกระแทกจากความร้อนสูงและทนต่ออุณหภูมิสูง

การใช้งานที่อุณหภูมิสูง

นอกจากนี้ยังมีการใช้งานเป็นเวลานานในการใช้งานที่อุณหภูมิสูง ข้อเท็จจริงที่ว่ามันเป็นหนึ่งในวัสดุเซรามิกเสาหินเพียงไม่กี่ชนิดที่สามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและการไล่ระดับอุณหภูมิที่เกิดจากความร้อนสูงซึ่งเกิดจากเครื่องยนต์จรวดไฮโดรเจน/ออกซิเจน

อุตสาหกรรมยานยนต์

ปัจจุบัน วัสดุซิลิกอนไนไตรด์ถูกใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์เป็นหลักในการใช้งานกับชิ้นส่วนเครื่องยนต์และอุปกรณ์เสริมของเครื่องยนต์ เช่น เทอร์โบชาร์จเจอร์เพื่อลดแรงเฉื่อยและลดความล่าช้าของเครื่องยนต์และการปล่อยไอเสีย หัวเทียนสำหรับการสตาร์ทเครื่องที่เร็วขึ้น วาล์วควบคุมก๊าซไอเสียเพื่อการเร่งความเร็วที่เพิ่มขึ้น และที่รองแขนโยกสำหรับเครื่องยนต์แก๊สเพื่อลดการสึกหรอ

อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์

เนื่องจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ในการใช้งานไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ซิลิคอนไนไตรด์จึงถูกใช้เป็นฉนวนและกั้นสารเคมีมากขึ้นในการผลิตวงจรรวมสำหรับบรรจุภัณฑ์ที่ปลอดภัยของอุปกรณ์ ซิลิคอนไนไตรด์ถูกใช้เป็นชั้นทู่ที่มีเกราะป้องกันการแพร่กระจายสูงจากโซเดียมไอออนและน้ำ ซึ่งเป็นสาเหตุหลักสองประการของการกัดกร่อนและความไม่เสถียรของไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ในตัวเก็บประจุสำหรับอุปกรณ์แอนะล็อก สารนี้ยังใช้เป็นฉนวนไฟฟ้าระหว่างชั้นโพลีซิลิคอน

บทสรุป

เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์เป็นวัสดุยูทิลิตี้ เซรามิกนี้แต่ละประเภทมีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่นำไปใช้ประโยชน์ได้ในหลายภาคส่วน การทำความเข้าใจเกี่ยวกับเซรามิกประเภทต่างๆ ของซิลิคอนไนไตรด์ทำให้ง่ายต่อการเลือกเซรามิกที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานที่กำหนด