Dlaczego azotek krzemu zastępuje stal w inżynierii o wysokiej wydajności- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

Podstawowe właściwości azotku krzemu (Si3N4)

Azotek krzemu to wysokowydajna ceramika techniczna charakteryzująca się unikalnym połączeniem właściwości termicznych, mechanicznych i elektrycznych. W przeciwieństwie do wielu innych materiałów ceramicznych, które są kruche pod wpływem naprężeń termicznych, azotek krzemu charakteryzuje się bardzo niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej i wysoką odpornością na pękanie. Dzięki temu jest wyjątkowo odporny na szok termiczny, dzięki czemu wytrzymuje szybkie wahania temperatury bez pękania. Pod względem chemicznym składa się z krzemu i azotu ułożonych w strukturę wiązań kowalencyjnych, dzięki czemu materiał jest prawie tak twardy jak diament, a jednocześnie jest znacznie lżejszy niż stopy stali o wysokiej wytrzymałości.

Charakterystyka fizyczna i termiczna

Własność	Typowa wartość
Gęstość	3,2 - 3,5 g/cm3
Twardość (Vickersa)	1400 - 1600 WN
Przewodność cieplna	20 - 30 W/m·K
Maksymalna temperatura robocza	Do 1200°C

Procesy produkcyjne i gatunki materiałów

Wydajność azotku krzemu zależy w dużym stopniu od metody zastosowanej do syntezy i zagęszczenia proszku. Ponieważ materiał nie topi się, należy go formować w procesach spiekania. Azotek krzemu związany reakcją (RBSN) powstaje w wyniku azotowania wypraski z proszku krzemowego, co zapewnia doskonałą stabilność wymiarową, ale wyższą porowatość. Natomiast spiekany azotek krzemu pod ciśnieniem gazu (GPSSN) i azotek krzemu tłoczony na gorąco (HPSN) wykorzystują wysokie ciśnienie i temperaturę, aby osiągnąć gęstość niemal teoretyczną, oferując najwyższą wytrzymałość mechaniczną w wymagających zastosowaniach lotniczych i kosmicznych i motoryzacyjnych.

Spiekany azotek krzemu (SSN): wykorzystuje dodatki ułatwiające zagęszczanie w wysokich temperaturach.
Prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP-SN): Eliminuje wewnętrzne mikropustki, zapewniając maksymalną odporność na zmęczenie.
Klejone reakcyjnie (RBSN): Najlepsze do skomplikowanych kształtów, gdzie wymagane są wąskie tolerancje bez obróbki.

Zastosowania przemysłowe i zalety inżynieryjne

W branży motoryzacyjnej i lotniczej azotek krzemu stanowi złoty standard w przypadku elementów łożysk pracujących przy dużych prędkościach. Ceramiczne łożyska kulkowe wykonane z Si3N4 są o 40% lżejsze od stali, wytwarzają mniejsze tarcie i mogą pracować bez smarowania przez krótki czas, co ma kluczowe znaczenie w sytuacjach awaryjnych w silnikach odrzutowych. Co więcej, jego właściwości niemagnetyczne i izolujące elektrycznie sprawiają, że idealnie nadaje się do stosowania w sprzęcie do produkcji półprzewodników i implantach medycznych, gdzie należy unikać zakłóceń w rezonansie magnetycznym (MRI) lub obwodach elektrycznych.

Kluczowe korzyści w ekstremalnych warunkach

Odporność na korozję: Nieprzepuszczalna dla większości kwasów i roztworów zasadowych w temperaturze pokojowej.
Odporność na zużycie: Doskonała trwałość w środowiskach ściernych w porównaniu z węglikiem wolframu.
Wysoka sztywność: zapewnia doskonałą sztywność strukturalną przy module Younga około 310 GPa.

Rozważania projektowe dotyczące komponentów z azotku krzemu

Projektując z azotku krzemu, inżynierowie muszą wziąć pod uwagę brak plastyczności materiału. Chociaż jest niesamowicie wytrzymały na ściskanie, jest wrażliwy na obciążenie punktowe i napięcie. Aby zmaksymalizować żywotność części ceramicznych, należy unikać ostrych narożników wewnętrznych i wykorzystywać duże promienie w celu rozłożenia naprężeń. Dodatkowo, ponieważ azotek krzemu jest trudny w obróbce po spiekaniu, elementy powinny być zaprojektowane tak blisko „kształtu siatki”, jak to możliwe, lub szlifowane przy użyciu narzędzi z końcówką diamentową, aby osiągnąć ostateczne tolerancje. Właściwa integracja często wymaga użycia pasowań termokurczliwych lub specjalistycznych klejów do połączenia ceramiki z metalowymi obudowami.