De ce nitrura de siliciu înlocuiește oțelul în inginerie de înaltă performanță- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

Proprietățile de bază ale nitrurii de siliciu (Si3N4)

Nitrură de siliciu este o ceramică tehnică de înaltă performanță, caracterizată prin combinația sa unică de proprietăți termice, mecanice și electrice. Spre deosebire de multe alte ceramice care sunt casante sub stres termic, nitrura de siliciu are un coeficient foarte scăzut de dilatare termică și o rezistență ridicată la rupere. Acest lucru îl face excepțional de rezistent la șocul termic, permițându-i să reziste la fluctuațiile rapide de temperatură fără crăpare. Din punct de vedere chimic, este compus din siliciu și azot aranjate într-o structură de legătură covalentă, ceea ce are ca rezultat un material care este aproape la fel de dur ca diamantul, rămânând în același timp semnificativ mai ușor decât aliajele de oțel de înaltă rezistență.

Caracteristici fizice și termice

Proprietate	Valoare tipică
Densitatea	3,2 - 3,5 g/cm³
Duritate (Vickers)	1400 - 1600 HV
Conductivitate termică	20 - 30 W/m·K
Temperatura maximă de funcționare	Până la 1200°C

Procese de fabricație și grade de materiale

Performanța nitrurii de siliciu depinde în mare măsură de metoda utilizată pentru a sintetiza și densifica pulberea. Deoarece materialul nu se topește, acesta trebuie format prin procese de sinterizare. Nitrura de siliciu legată de reacție (RBSN) este creată prin nitrurarea unei pulberi de siliciu compacte, rezultând o stabilitate dimensională excelentă, dar o porozitate mai mare. În schimb, nitrura de siliciu sinterizată sub presiune cu gaz (GPSSN) și nitrura de siliciu presată la cald (HPSN) utilizează presiune și temperatură ridicate pentru a obține o densitate aproape teoretică, oferind cea mai mare rezistență mecanică pentru aplicații solicitante din domeniul aerospațial și auto.

Nitrură de siliciu sinterizat (SSN): Utilizează aditivi pentru a facilita densificarea la temperaturi ridicate.
Presat izostatic la cald (HIP-SN): elimină micro-golurile interne pentru rezistență maximă la oboseală.
Reaction Bonded (RBSN): Cel mai bun pentru forme complexe unde sunt necesare toleranțe strânse fără prelucrare.

Aplicații industriale și avantaje ale ingineriei

În sectoarele auto și aerospațial, nitrura de siliciu este standardul de aur pentru componentele rulmenților de mare viteză. Rulmenții cu bile din ceramică fabricați din Si3N4 sunt cu 40% mai ușori decât oțelul, produc mai puțină frecare și pot funcționa fără lubrifiere pentru perioade scurte, ceea ce este critic pentru scenariile de urgență în motoarele cu reacție. În plus, proprietățile sale nemagnetice și izolatoare electric îl fac ideal pentru utilizarea în echipamentele de fabricare a semiconductoarelor și implanturi medicale, unde interferențele cu imagistica prin rezonanță magnetică (IRM) sau circuitele electrice trebuie evitate.

Beneficii cheie în medii extreme

Rezistență la coroziune: Impermeabil la majoritatea acizilor și soluțiilor alcaline la temperatura camerei.
Rezistență la uzură: longevitate superioară în medii abrazive în comparație cu carbura de tungsten.
Rigiditate ridicată: Oferă o rigiditate structurală excelentă cu un modul Young de aproximativ 310 GPa.

Considerații de proiectare pentru componentele cu nitrură de siliciu

Atunci când proiectează cu nitrură de siliciu, inginerii trebuie să țină cont de lipsa de ductilitate a materialului. Deși este incredibil de puternic la compresie, este sensibil la încărcarea punctuală și la tensiune. Pentru a maximiza durata de viață a pieselor ceramice, este esențial să evitați colțurile interioare ascuțite și să utilizați raze generoase pentru a distribui stresul. În plus, deoarece nitrura de siliciu este dificil de prelucrat după sinterizare, componentele ar trebui proiectate cât mai aproape de „forma rețelei” posibil sau măcinate cu scule cu vârf de diamant pentru a obține toleranțe finale. Integrarea corectă implică adesea folosirea de ajustări contractabile sau adezivi specializați pentru a lipi ceramica de carcasele metalice.