Proč nitrid křemíku nahrazuje ocel ve vysoce výkonném strojírenství- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

Základní vlastnosti nitridu křemíku (Si3N4)

Nitrid křemíku je vysoce výkonná technická keramika vyznačující se unikátní kombinací tepelných, mechanických a elektrických vlastností. Na rozdíl od mnoha jiných keramik, které jsou při tepelném namáhání křehké, se nitrid křemíku může pochlubit velmi nízkým koeficientem tepelné roztažnosti a vysokou lomovou houževnatostí. Díky tomu je výjimečně odolný vůči teplotním šokům, což mu umožňuje odolávat rychlým teplotním výkyvům bez praskání. Chemicky se skládá z křemíku a dusíku uspořádaných do struktury kovalentní vazby, což má za následek materiál, který je téměř stejně tvrdý jako diamant a přitom zůstává výrazně lehčí než slitiny vysokopevnostní oceli.

Fyzikální a tepelné vlastnosti

Majetek	Typická hodnota
Hustota	3,2 - 3,5 g/cm³
Tvrdost (Vickers)	1400 - 1600 HV
Tepelná vodivost	20 - 30 W/m·K
Max provozní teplota	Až 1200°C

Výrobní procesy a jakosti materiálů

Výkon nitridu křemíku je silně závislý na metodě použité k syntéze a zahuštění prášku. Protože se materiál netaví, musí být formován slinováním. Reaction Bonded Silicon Nitride (RBSN) vzniká nitridací křemíkového prášku, výsledkem je vynikající rozměrová stabilita, ale vyšší poréznost. Naproti tomu plynem tlakově sintrovaný nitrid křemíku (GPSSN) a za tepla lisovaný nitrid křemíku (HPSN) využívají vysoký tlak a teplotu k dosažení téměř teoretické hustoty, což nabízí nejvyšší mechanickou pevnost pro náročné aplikace v letectví a automobilovém průmyslu.

Slinutý nitrid křemíku (SSN): Používá přísady pro usnadnění zhušťování při vysokých teplotách.
Hot Isostatic Pressed (HIP-SN): Eliminuje vnitřní mikrodutiny pro maximální odolnost proti únavě.
Reaction Bonded (RBSN): Nejlepší pro složité tvary, kde jsou vyžadovány úzké tolerance bez obrábění.

Průmyslové aplikace a inženýrské výhody

V automobilovém a leteckém průmyslu je nitrid křemíku zlatým standardem pro komponenty vysokorychlostních ložisek. Keramická kuličková ložiska vyrobená z Si3N4 jsou o 40 % lehčí než ocel, produkují menší tření a mohou krátkodobě fungovat bez mazání, což je kritické pro nouzové scénáře v proudových motorech. Kromě toho je díky svým nemagnetickým a elektricky izolačním vlastnostem ideální pro použití v zařízeních pro výrobu polovodičů a lékařských implantátech, kde je třeba zabránit interferenci s zobrazováním magnetickou rezonancí (MRI) nebo elektrickými obvody.

Klíčové výhody v extrémních prostředích

Odolnost proti korozi: Při pokojové teplotě nepropouští většinu kyselin a zásad.
Odolnost proti opotřebení: Vynikající životnost v abrazivním prostředí ve srovnání s karbidem wolframu.
Vysoká tuhost: Poskytuje vynikající strukturální tuhost s Youngovým modulem přibližně 310 GPa.

Konstrukční úvahy pro komponenty z nitridu křemíku

Při navrhování s nitridem křemíku musí inženýři počítat s nedostatečnou tažností materiálu. I když je neuvěřitelně pevný v kompresi, je citlivý na bodové zatížení a tah. Pro maximalizaci životnosti keramických dílů je nezbytné vyhnout se ostrým vnitřním rohům a využít velkorysé poloměry k rozložení napětí. Navíc, protože nitrid křemíku se po slinování obtížně obrábí, součásti by měly být navrženy co nejblíže „síťovému tvaru“ nebo by měly být broušeny pomocí nástrojů s diamantovým hrotem, aby se dosáhlo konečných tolerancí. Správná integrace často zahrnuje použití smršťovacích nebo speciálních lepidel k připojení keramiky ke kovovým pouzdrům.