Tại sao Silicon Nitride thay thế thép trong kỹ thuật hiệu suất cao- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

Đặc tính cốt lõi của Silicon Nitrua (Si3N4)

Silicon Nitride là loại gốm kỹ thuật hiệu suất cao được đặc trưng bởi sự kết hợp độc đáo giữa các đặc tính nhiệt, cơ và điện. Không giống như nhiều loại gốm sứ khác dễ vỡ dưới áp lực nhiệt, Silicon Nitride tự hào có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp và độ bền gãy cao. Điều này làm cho nó có khả năng chống sốc nhiệt đặc biệt, cho phép nó chịu được sự dao động nhiệt độ nhanh chóng mà không bị nứt. Về mặt hóa học, nó bao gồm silicon và nitơ được sắp xếp theo cấu trúc liên kết cộng hóa trị, tạo ra vật liệu cứng gần bằng kim cương trong khi vẫn nhẹ hơn đáng kể so với hợp kim thép cường độ cao.

Đặc tính vật lý và nhiệt

Tài sản	Giá trị điển hình
Mật độ	3,2 - 3,5 g/cm³
Độ cứng (Vickers)	1400 - 1600HV
Độ dẫn nhiệt	20 - 30 W/m·K
Nhiệt độ hoạt động tối đa	Lên tới 1200°C

Quy trình sản xuất và cấp vật liệu

Hiệu suất của Silicon Nitride phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp được sử dụng để tổng hợp và làm đặc bột. Vì vật liệu không tan chảy nên nó phải được hình thành thông qua quá trình thiêu kết. Silicon Nitride liên kết phản ứng (RBSN) được tạo ra bằng cách thấm nitơ vào bột silicon nén, mang lại độ ổn định kích thước tuyệt vời nhưng độ xốp cao hơn. Ngược lại, Silicon Nitride thiêu kết áp suất khí (GPSSN) và Silicon Nitride ép nóng (HPSN) sử dụng áp suất và nhiệt độ cao để đạt được mật độ gần như lý thuyết, mang lại độ bền cơ học cao nhất cho các ứng dụng ô tô và hàng không vũ trụ đòi hỏi khắt khe.

Silicon Nitride thiêu kết (SSN): Sử dụng các chất phụ gia để tạo điều kiện cho quá trình cô đặc ở nhiệt độ cao.
Máy ép đẳng nhiệt nóng (HIP-SN): Loại bỏ các khoảng trống vi mô bên trong để có khả năng chống mỏi tối đa.
Liên kết phản ứng (RBSN): Tốt nhất cho các hình dạng phức tạp đòi hỏi dung sai chặt chẽ mà không cần gia công.

Ưu điểm của ứng dụng công nghiệp và kỹ thuật

Trong lĩnh vực ô tô và hàng không vũ trụ, Silicon Nitride là tiêu chuẩn vàng cho các bộ phận vòng bi tốc độ cao. Vòng bi gốm làm từ Si3N4 nhẹ hơn thép 40%, tạo ra ít ma sát hơn và có thể hoạt động mà không cần bôi trơn trong thời gian ngắn, điều này rất quan trọng trong các tình huống khẩn cấp trong động cơ phản lực. Hơn nữa, đặc tính không từ tính và cách điện của nó khiến nó trở nên lý tưởng để sử dụng trong thiết bị sản xuất chất bán dẫn và thiết bị cấy ghép y tế, nơi phải tránh nhiễu với hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) hoặc mạch điện.

Lợi ích chính trong môi trường khắc nghiệt

Chống ăn mòn: Không thấm đối với hầu hết các dung dịch axit và kiềm ở nhiệt độ phòng.
Chống mài mòn: Tuổi thọ vượt trội trong môi trường mài mòn so với cacbua vonfram.
Độ cứng cao: Cung cấp độ cứng kết cấu tuyệt vời với Mô đun Young khoảng 310 GPa.

Những cân nhắc về thiết kế cho các thành phần Silicon Nitride

Khi thiết kế với Silicon Nitride, các kỹ sư phải tính đến sự thiếu dẻo của vật liệu. Mặc dù khả năng nén cực kỳ mạnh nhưng nó lại nhạy cảm với tải điểm và lực căng. Để tối đa hóa tuổi thọ của các bộ phận bằng gốm, điều cần thiết là tránh các góc nhọn bên trong và tận dụng bán kính rộng để phân bổ ứng suất. Ngoài ra, do Silicon Nitride khó gia công sau khi thiêu kết nên các bộ phận phải được thiết kế càng gần "hình lưới" càng tốt hoặc được mài bằng dụng cụ có đầu kim cương để đạt được dung sai cuối cùng. Việc tích hợp đúng cách thường liên quan đến việc sử dụng chất kết dính co ngót hoặc chất kết dính chuyên dụng để liên kết gốm với vỏ kim loại.