Hvorfor silisiumnitrid erstatter stål i høyytelsesteknikk- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

Kjerneegenskapene til silisiumnitrid (Si3N4)

Silisiumnitrid er en høyytelses teknisk keramikk preget av sin unike kombinasjon av termiske, mekaniske og elektriske egenskaper. I motsetning til mange andre keramiske materialer som er sprø under termisk stress, har silisiumnitrid en svært lav termisk ekspansjonskoeffisient og høy bruddseighet. Dette gjør den eksepsjonelt motstandsdyktig mot termisk sjokk, slik at den tåler raske temperatursvingninger uten å sprekke. Kjemisk er den sammensatt av silisium og nitrogen arrangert i en kovalent bindingsstruktur, noe som resulterer i et materiale som er nesten like hardt som diamant samtidig som det forblir betydelig lettere enn høyfaste stållegeringer.

Fysiske og termiske egenskaper

Eiendom	Typisk verdi
Tetthet	3,2 - 3,5 g/cm³
Hardhet (Vickers)	1400 - 1600 HV
Termisk ledningsevne	20 - 30 W/m·K
Maks driftstemp	Opptil 1200°C

Produksjonsprosesser og materialkvaliteter

Ytelsen til silisiumnitrid er sterkt avhengig av metoden som brukes for å syntetisere og tette pulveret. Fordi materialet ikke smelter, må det dannes gjennom sintringsprosesser. Reaction Bonded Silicon Nitride (RBSN) lages ved å nitrere en silisiumpulverkompakt, noe som resulterer i utmerket dimensjonsstabilitet men høyere porøsitet. I kontrast bruker gasspresset sintret silisiumnitrid (GPSSN) og varmpresset silisiumnitrid (HPSN) høyt trykk og temperatur for å oppnå nesten teoretisk tetthet, og tilbyr den høyeste mekaniske styrken for krevende romfarts- og bilapplikasjoner.

Sintret silisiumnitrid (SSN): Bruker tilsetningsstoffer for å lette fortetting ved høye temperaturer.
Hot Isostatic Pressed (HIP-SN): Eliminerer interne mikrohull for maksimal tretthetsmotstand.
Reaction Bonded (RBSN): Best for komplekse former der det kreves tette toleranser uten maskinering.

Industrielle applikasjoner og tekniske fordeler

I bil- og romfartssektorene er silisiumnitrid gullstandarden for høyhastighets lagerkomponenter. Keramiske kulelagre laget av Si3N4 er 40 % lettere enn stål, produserer mindre friksjon og kan fungere uten smøring i korte perioder, noe som er kritisk for nødscenarier i jetmotorer. Videre gjør dens ikke-magnetiske og elektrisk isolerende egenskaper den ideell for bruk i halvlederproduksjonsutstyr og medisinske implantater, der interferens med magnetisk resonansavbildning (MRI) eller elektriske kretser må unngås.

Viktige fordeler i ekstreme miljøer

Korrosjonsbestandighet: Ugjennomtrengelig for de fleste syrer og alkaliske løsninger ved romtemperatur.
Slitestyrke: Overlegen levetid i slitende miljøer sammenlignet med wolframkarbid.
Høy stivhet: Gir utmerket strukturell stivhet med en Young's Modulus på omtrent 310 GPa.

Designhensyn for silisiumnitridkomponenter

Når du designer med silisiumnitrid, må ingeniører ta hensyn til materialets mangel på duktilitet. Selv om den er utrolig sterk i kompresjon, er den følsom for punktbelastning og spenning. For å maksimere levetiden til keramiske deler, er det viktig å unngå skarpe innvendige hjørner og bruke sjenerøse radier for å fordele stress. I tillegg, fordi silisiumnitrid er vanskelig å maskinere etter sintring, bør komponenter utformes så nær "nettform" som mulig, eller slipes med diamanttuppet verktøy for å oppnå endelige toleranser. Riktig integrasjon innebærer ofte bruk av krympepasninger eller spesialiserte lim for å feste keramikk til metallhus.