Gốm Silicon Nitride: Hiệu suất vượt trội và ứng dụng trong tương lai

Gtôtôtôtôtôtôiới thiệu: Ngôi sao sáng của gốtôi sứ tiên tiến

Trong bối cảnh nhu cầu ngày càng tăng của ngành công nghiệp hiện đại về hiệu suất vật liệu vượt trội, Gốm silicon nitrit ( $S{i}_3{N}_4$ ), nổi lên như một điểm nổi bật gốm kết cấu nhiệt độ cao . Nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật có độ chính xác cao, ứng suất cao, nhờ sự kết hợp các đặc tính tuyệt vời của nó. Sự thành công của gốm silicon nitride chủ yếu là do liên kết hóa học và cấu trúc vi mô độc đáo, cho phép nó duy trì độ bền cao, khả năng chống mài mòn tuyệt vời, và khả năng chống sốc nhiệt vượt trội trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt.

Thuộc tính cốt lõi và cấu trúc vi mô

Công thức hóa học của Gốm silicon nitrit là $S{i}_3{N}_4$ , một hợp chất có liên kết cộng hóa trị chủ yếu. Hiệu suất vượt trội của nó bắt nguồn từ cấu trúc tinh thể lục giác độc đáo, chủ yếu tồn tại trong $\alpha$ giai đoạn và $\beta$ giai đoạn .

• Chuyển đổi pha và độ dẻo dai: Trong quá trình thiêu kết, sự biến đổi thường xảy ra từ $\alpha$ giai đoạn to the thermodynamically more stable $\beta$ giai đoạn. The ideal silicon nitride microstructure consists of kéo dài $\beta -S{i}_3{N}_4$ hạt có tỷ lệ khung hình cao , lồng vào nhau để tạo thành một "râu tăng cường" cấu trúc. Khi vết nứt lan truyền, những hạt này tiêu tán năng lượng thông qua các cơ chế như độ lệch vết nứt, bắc cầu vết nứt và kéo hạt , qua đó truyền đạt một cách đáng kể độ bền gãy xương cao ( $K_{tôiC}\approx 5-10\text{MPa}\cdot \sqrt{\text{m}}$ ) , làm cho nó trở nên đặc biệt trong số các vật liệu gốm sứ.

• Tính chất cơ học nhiệt độ cao: Silicon nitride có mật độ thấp (khoảng $3.2\text{g}/{\text{cmt}}^3$ ), tuy nhiên nó vẫn giữ được mức cao đặc biệt độ bền uốn và độ cứng ở nhiệt độ cao, đồng thời thể hiện sự xuất sắc sức đề kháng leo và khả năng chống mỏi cơ học .

• Ổn định nhiệt: Một ưu điểm quan trọng khác là nó cực kỳ thấp hệ số giãn nở nhiệt và tốt tính dẫn nhiệt. Sự kết hợp này mang lại cho gốm sứ khả năng chống sốc nhiệt vượt trội , cho phép nó chịu được sự thay đổi nhiệt độ nhanh chóng và nghiêm trọng mà không bị hỏng.

• Độ trơ hóa học: Silicon nitride thể hiện sự xuất sắc khả năng chống ăn mòn và không thấm ướt chống lại nhiều axit, kiềm và kim loại nóng chảy (như nhôm và kẽm).

Quy trình sản xuất chính

Việc đạt được mật độ hoàn toàn của gốm silicon nitrit đặc biệt khó khăn vì $S{i}_3{N}_4$ là highly covalent and has a relatively low decomposition temperature. The main industrial preparation methods include:

1. Silicon Nitride ép nóng (HPSN): Sự cô đặc đạt được bằng cách thêm các chất trợ thiêu kết ở nhiệt độ cao (khoảng 10 phút). $1700-1800^{\circ }\text{C}$ ) và áp suất cao (khoảng. $10-40\text{MPa}$ ). Tính năng vật liệu HPSN độ xốp rất thấp và tính chất cơ học tuyệt vời , thường được sử dụng cho các công cụ cắt hiệu suất cao.

2. Thiêu kết không áp suất / Thiêu kết áp suất khí (SSN/GPSN): Quá trình thiêu kết được tiến hành trong môi trường có hàm lượng nitơ cao. GPSN có hiệu quả ngăn chặn sự phân hủy của $S{i}_3{N}_4$ ở nhiệt độ cao, làm cho nó trở thành phương pháp ưa thích để sản xuất các bộ phận có hình dạng phức tạp , cân bằng giữa hiệu suất và chi phí.

3. Silicon Nitride liên kết phản ứng (RBSN): Bột silicon được sử dụng làm nguyên liệu ban đầu và phản ứng trực tiếp trong môi trường nitơ để tạo thành $S{i}_3{N}_4$ . Quá trình này cung cấp thay đổi kích thước tối thiểu và chi phí thấp hơn nhưng vật liệu cuối cùng thường có độ xốp cao hơn.

Các trường ứng dụng điển hình

Sự kết hợp độc đáo các đặc tính của Gốm silicon nitrit làm cho nó trở thành sự lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe khác nhau:

• Vòng bi lăn (Vòng bi lai): Bóng gốm silicon nitride (được sử dụng với vòng trong và vòng ngoài bằng thép) được sử dụng rộng rãi trong trục máy công cụ tốc độ cao, máy phát điện tua bin gió, động cơ hàng không vũ trụ và vòng bi hybrid xe điện (EV). Điều này là do họ mật độ thấp (giảm tải ly tâm), độ cứng cao, tính chất tự bôi trơn, và chống ăn mòn , giúp tăng đáng kể tốc độ vận hành và tuổi thọ.

• Linh kiện động cơ ô tô: Trong động cơ đốt trong, nó cường độ cao và nhẹ các đặc tính được sử dụng trong các bộ phận như rôto tăng áp, van điều khiển khí thải và bugi phát sáng, nâng cao hiệu suất động cơ và giảm lượng khí thải.

• Dụng cụ cắt: Miếng đệm silicon nitride đặc biệt thích hợp cho gia công tốc độ cao các siêu hợp kim gang và niken , trong đó độ ổn định ở nhiệt độ cao và khả năng chống mài mòn của chúng vượt xa so với cacbua xi măng thông thường.

• Xử lý nhiệt và xử lý kim loại nóng chảy: Khai thác nó khả năng chống sốc nhiệt và kháng hóa chất , nó được sử dụng trong các ống bảo vệ cặp nhiệt điện, ống chuyển kim loại nóng chảy và vòi phun.

Kết luận và triển vọng

Gốm silicon nitrit đại diện cho sự tiên tiến của gốm sứ kết cấu tiên tiến. Sự kết hợp độc đáo của nó cường độ cao, độ dẻo dai cao, tính chất nhẹ và ổn định nhiệt đặc biệt làm cho nó không thể thiếu trong các lĩnh vực kỹ thuật quan trọng. Với những tiến bộ liên tục trong công nghệ sản xuất thế hệ tiếp theo, đặc biệt là trong việc tối ưu hóa sự phát triển của hạt và kiểm soát cấu trúc vi mô, hiệu quả chi phí và hiệu suất của silicon nitride sẽ tiếp tục được cải thiện.

Nhìn về phía trước, silicon nitride không chỉ được thiết lập để duy trì vai trò của nó trong các ứng dụng cơ và nhiệt hiệu suất cao truyền thống mà còn mở ra những con đường rộng lớn hơn trong các lĩnh vực mới nổi như năng lượng mới (ví dụ: pin nhiên liệu), chất nền điện tử hiệu suất cao, và cấy ghép y sinh , do đó trở thành nền tảng quan trọng cho sự phát triển công nghệ trong tương lai.