Hvorfor siliciumnitrid erstatter stål i højtydende teknik- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

Kerneegenskaber af siliciumnitrid (Si3N4)

Siliciumnitrid er en højtydende teknisk keramik kendetegnet ved sin unikke kombination af termiske, mekaniske og elektriske egenskaber. I modsætning til mange andre keramik, der er skørt under termisk stress, har siliciumnitrid en meget lav termisk udvidelseskoefficient og høj brudsejhed. Dette gør det usædvanligt modstandsdygtigt over for termiske stød, hvilket gør det muligt at modstå hurtige temperatursvingninger uden at revne. Kemisk er det sammensat af silicium og nitrogen arrangeret i en kovalent bindingsstruktur, hvilket resulterer i et materiale, der er næsten lige så hårdt som diamant, mens det forbliver væsentligt lettere end højstyrke stållegeringer.

Fysiske og termiske egenskaber

Ejendom	Typisk værdi
Tæthed	3,2 - 3,5 g/cm³
Hårdhed (Vickers)	1400 - 1600 HV
Termisk ledningsevne	20 - 30 W/m·K
Max driftstemp	Op til 1200°C

Fremstillingsprocesser og materialekvaliteter

Ydeevnen af siliciumnitrid er stærkt afhængig af den metode, der bruges til at syntetisere og komprimere pulveret. Fordi materialet ikke smelter, skal det dannes gennem sintringsprocesser. Reaction Bonded Silicon Nitride (RBSN) er skabt ved at nitrere en siliciumpulverkompakt, hvilket resulterer i fremragende dimensionsstabilitet men højere porøsitet. I modsætning hertil bruger Gas Pressured Sintered Silicon Nitride (GPSSN) og Hot Pressed Silicon Nitride (HPSN) højt tryk og temperatur for at opnå næsten teoretisk tæthed, hvilket giver den højeste mekaniske styrke til krævende rumfarts- og bilapplikationer.

Sintret siliciumnitrid (SSN): Bruger additiver til at lette fortætning ved høje temperaturer.
Hot Isostatic Pressed (HIP-SN): Eliminerer interne mikrohuller for maksimal træthedsmodstand.
Reaktionsbundet (RBSN): Bedst til komplekse former, hvor der kræves snævre tolerancer uden bearbejdning.

Industrielle applikationer og tekniske fordele

I bil- og rumfartssektoren er siliciumnitrid guldstandarden for højhastighedslejekomponenter. Keramiske kuglelejer fremstillet af Si3N4 er 40 % lettere end stål, producerer mindre friktion og kan fungere uden smøring i korte perioder, hvilket er afgørende for nødscenarier i jetmotorer. Desuden gør dens ikke-magnetiske og elektrisk isolerende egenskaber den ideel til brug i halvlederfremstillingsudstyr og medicinske implantater, hvor interferens med magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) eller elektriske kredsløb skal undgås.

Vigtige fordele i ekstreme miljøer

Korrosionsbestandighed: Uigennemtrængelig for de fleste syrer og alkaliske opløsninger ved stuetemperatur.
Slidstyrke: Overlegen levetid i slibende miljøer sammenlignet med wolframcarbid.
Høj stivhed: Giver fremragende strukturel stivhed med et Young's Modulus på cirka 310 GPa.

Designovervejelser for siliciumnitridkomponenter

Ved design med siliciumnitrid skal ingeniører tage højde for materialets manglende duktilitet. Selvom den er utrolig stærk i kompression, er den følsom over for punktbelastning og spænding. For at maksimere levetiden af keramiske dele er det vigtigt at undgå skarpe indvendige hjørner og bruge generøse radier til at fordele stress. Fordi siliciumnitrid er vanskeligt at bearbejde efter sintring, bør komponenter desuden designes så tæt på "net-form" som muligt, eller slibes ved hjælp af diamantspids værktøj for at opnå endelige tolerancer. Korrekt integration involverer ofte brug af krympepasninger eller specialiserede klæbemidler til at binde keramikken til metalhuse.