Почему нитрид кремния заменяет сталь в высокопроизводительном машиностроении- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

Основные свойства нитрида кремния (Si3N4)

Нитрид кремния представляет собой высокоэффективную техническую керамику, характеризующуюся уникальным сочетанием термических, механических и электрических свойств. В отличие от многих других керамик, которые становятся хрупкими при термическом напряжении, нитрид кремния может похвастаться очень низким коэффициентом теплового расширения и высокой вязкостью разрушения. Это делает его исключительно устойчивым к тепловым ударам, что позволяет ему выдерживать резкие колебания температуры без растрескивания. Химически он состоит из кремния и азота, образующих ковалентную структуру связи, в результате чего получается материал, который почти так же тверд, как алмаз, но при этом остается значительно легче, чем высокопрочные стальные сплавы.

Физические и термические характеристики

Недвижимость	Типичное значение
Плотность	3,2–3,5 г/см³
Твердость (по Виккерсу)	1400–1600 В.С.
Теплопроводность	20–30 Вт/м·К
Максимальная рабочая температура	До 1200°С

Производственные процессы и сорта материалов

Характеристики нитрида кремния во многом зависят от метода синтеза и уплотнения порошка. Поскольку материал не плавится, его необходимо формовать посредством процессов спекания. Реакционно-связанный нитрид кремния (RBSN) создается путем азотирования прессовки кремниевого порошка, что обеспечивает превосходную стабильность размеров, но более высокую пористость. Напротив, спеченный нитрид кремния под давлением газа (GPSSN) и нитрид кремния горячего прессования (HPSN) используют высокое давление и температуру для достижения плотности, близкой к теоретической, обеспечивая высочайшую механическую прочность для требовательных аэрокосмических и автомобильных применений.

Спеченный нитрид кремния (SSN): используются добавки для облегчения уплотнения при высоких температурах.
Горячее изостатическое прессование (HIP-SN): устраняет внутренние микропоры и обеспечивает максимальную усталостную прочность.
Реакционная сварка (RBSN): лучше всего подходит для сложных форм, где требуются жесткие допуски без механической обработки.

Промышленное применение и инженерные преимущества

В автомобильной и аэрокосмической отраслях нитрид кремния является золотым стандартом для компонентов высокоскоростных подшипников. Керамические шарикоподшипники, изготовленные из Si3N4, на 40% легче стальных, производят меньше трения и могут работать без смазки в течение коротких периодов времени, что критически важно для аварийных ситуаций в реактивных двигателях. Кроме того, его немагнитные и электроизоляционные свойства делают его идеальным для использования в оборудовании для производства полупроводников и медицинских имплантатах, где необходимо избегать помех при магнитно-резонансной томографии (МРТ) или электрических цепях.

Ключевые преимущества в экстремальных условиях

Коррозионная стойкость: Невосприимчив к большинству кислот и щелочных растворов при комнатной температуре.
Износостойкость: Превосходная долговечность в абразивных средах по сравнению с карбидом вольфрама.
Высокая жесткость: обеспечивает превосходную структурную жесткость с модулем Юнга около 310 ГПа.

Особенности проектирования компонентов из нитрида кремния

При проектировании с использованием нитрида кремния инженеры должны учитывать недостаточную пластичность материала. Хотя он невероятно силен при сжатии, он чувствителен к точечной нагрузке и растяжению. Чтобы максимально продлить срок службы керамических деталей, важно избегать острых внутренних углов и использовать большие радиусы для распределения нагрузки. Кроме того, поскольку нитрид кремния трудно поддается механической обработке после спекания, компоненты следует проектировать как можно ближе к «чистой форме» или шлифовать с использованием инструментов с алмазными насадками для достижения окончательных допусков. Правильная интеграция часто предполагает использование термоусадочных посадок или специальных клеев для соединения керамики с металлическим корпусом.