ความแข็งแกร่งที่ไม่ยอมแพ้ของซิลิกอนไนไตรด์: การดำน้ำลึกลงไปในความแข็งของมัน- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

ในโลกของเซรามิกขั้นสูงวัสดุมีเพียงไม่กี่ชิ้นที่ให้ความเคารพต่อคุณสมบัติเชิงกลของพวกเขาอย่างมาก ซิลิกอนไนไตรด์ - $S ฉัน_{3} n_{4}$ - ในบรรดาคุณลักษณะที่มีค่ามากที่สุดความแข็งที่โดดเด่นของมันโดดเด่นทำให้เป็นรากฐานที่สำคัญสำหรับการใช้งานที่ต้องการความทนทานอย่างมากและความต้านทานการสึกหรอ บทความนี้สำรวจวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังความแข็งที่น่าทึ่งของ ซิลิกอนไนไตรด์ การเปรียบเทียบกับวัสดุอื่น ๆ และบทบาทที่สำคัญในวิศวกรรมประสิทธิภาพสูง

พันธะโควาเลนต์: แหล่งที่มาของความแข็งแรง

ความแข็งของ ซิลิกอนไนไตรด์ ไม่ใช่อุบัติเหตุที่มีความสุข มันเป็นผลโดยตรงจากโครงสร้างอะตอม ประกอบด้วยอะตอมซิลิกอนและไนโตรเจนวัสดุนี้จัดขึ้นโดยพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งอย่างไม่น่าเชื่อ ซึ่งแตกต่างจากโลหะซึ่งมีโครงสร้างพันธะโลหะที่ยืดหยุ่นหรือเซรามิกไอออนิกที่มีผลึกคริสตัลที่คาดการณ์ได้มากขึ้น ซิลิกอนไนไตรด์ สร้างเครือข่ายสามมิติที่เข้มงวด โครงสร้างที่แข็งแกร่งนี้ต่อต้านการกระจัดของอะตอมซึ่งหมายความว่าต้องใช้กำลังจำนวนมหาศาลในการทำให้เกิดรอยขีดข่วนการเยื้องหรือการเสียรูป

ในระดับ MโอHS ซึ่งวัดความแข็งของรอยขีดข่วนจาก 1 (แป้ง) ถึง 10 (เพชร) ซิลิกอนไนไตรด์ โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 8.5 ถึง 9 อย่างแม่นยำมากขึ้นในระดับความแข็งของ Vฉันckers ค่าของมันมักจะอยู่ในช่วงจาก 15 ถึง 20 เกรดเฉลี่ย - เพื่อให้สิ่งนี้ในมุมมองนี้ยากกว่าเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงอย่างมีนัยสำคัญซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 1-10 GPอัน

ความแข็งกับความเหนียว: ความแตกต่างที่สำคัญ

ในขณะที่ความแข็งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการต่อต้านการสึกหรอมันมักจะเกี่ยวข้องกับความเปราะบางในวัสดุเซรามิกจำนวนมาก ตัวอย่างเช่นเซรามิกที่ยากมากบางตัวอาจแตกเป็นภัยภายใต้ผลกระทบ นี่คือที่ ซิลิกอนไนไตรด์ ส่องแสงอย่างแท้จริง มันมีค่อนข้างสูง ความเหนียวแตกหัก , การวัดความต้านทานของวัสดุต่อการแพร่กระจายการแพร่กระจาย

การผสมผสานที่เป็นเอกลักษณ์ของความแข็งสูงและความเหนียวแตกหักสูงทำให้เกิดขึ้น ซิลิกอนไนไตรด์ ตัวเลือกที่เหนือกว่าสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีพลวัตและมีความเครียดสูง วัสดุสามารถทนต่อการสึกหรอทั้งแบบต่อเนื่องและการโหลดเชิงกลอย่างกะทันหันโดยไม่ล้มเหลว ข้อได้เปรียบด้านการจัดหาคู่นี้คือสิ่งที่แยกออกจากเซรามิกขั้นสูงอื่น ๆ เช่นอลูมินา ( $อัน l_{2} โอ_{3}$ ) ซึ่งก็ยาก แต่ก็เปราะมาก

การเปรียบเทียบกับวัสดุอื่น ๆ

เมื่อประเมินวัสดุเพื่อเรียกร้องแอปพลิเคชันวิศวกรมักจะเปรียบเทียบ ซิลิกอนไนไตรด์ ไปยังตัวเลือกทั่วไปอื่น ๆ

ซิลิกอนไนไตรด์กับซิลิคอนคาร์ไบด์ ( $S i C$ - ในขณะที่ซิลิคอนคาร์ไบด์โดยทั่วไปยากกว่า ซิลิกอนไนไตรด์ (22-25 GPA Vickers) มันก็เปราะมากขึ้น สำหรับการใช้งานที่มีความเสี่ยงสูง ซิลิกอนไนไตรด์ ความเหนียวที่เหนือกว่ามักจะทำให้เป็นวัสดุที่ต้องการ
ซิลิคอนไนไตรด์กับอลูมินา ( $A l_{2} O_{3}$ - อลูมินาเป็นเซรามิกที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่มีความแข็งและความทนทานแตกหักต่ำกว่า ซิลิกอนไนไตรด์ - ในการใช้งานที่ต้องการความต้านทานการสึกหรออย่างรุนแรงหรือความต้านทานต่อความร้อน ซิลิกอนไนไตรด์ อลูมินาดีกว่า
ซิลิกอนไนไตรด์กับเหล็ก: ไม่มีการเปรียบเทียบในแง่ของความแข็งและประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูง ซิลิกอนไนไตรด์ ยากขึ้นอย่างมากและรักษาความแข็งแรงไว้ที่อุณหภูมิที่เหล็กจะนิ่มและเสียรูป ธรรมชาติที่มีน้ำหนักเบา-ประมาณ 40% ความหนาแน่นของเหล็ก-ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ไวต่อน้ำหนัก

ผลกระทบของความแข็งในการใช้งาน

ความแข็งและความทนทานที่ยอดเยี่ยมของ ซิลิกอนไนไตรด์ เปิดใช้งานการใช้งานในอุตสาหกรรมที่หลากหลายซึ่งวัสดุดั้งเดิมจะล้มเหลว

แบริ่ง: ซิลิกอนไนไตรด์ ลูกบอลในแบริ่งเซรามิกไฮบริดนำเสนอการผสมผสานของแรงเสียดทานต่ำความสามารถในการใช้ความเร็วสูงและชีวิตที่ยืดเยื้อ พวกเขาใช้ในแอปพลิเคชันประสิทธิภาพสูงเช่นกังหันการบินและอวกาศเครื่องมือเครื่องจักรและมอเตอร์ยานพาหนะไฟฟ้า
เครื่องมือตัด: ความแข็งของ ซิลิกอนไนไตรด์ ช่วยให้การตัดเฉือนความเร็วสูงของวัสดุที่ยากต่อการตัดเช่นเหล็กหล่อและโลหะผสมที่ใช้นิกเกิลเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและอายุการใช้งานเครื่องมืออย่างมีนัยสำคัญ
ส่วนประกอบยานยนต์และการบินและอวกาศ: จากคู่มือวาล์วเครื่องยนต์ไปจนถึงใบพัดเทอร์โบชาร์จเจอร์ ซิลิกอนไนไตรด์ ส่วนประกอบถูกใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีการสึกหรอความร้อนและความเครียดสูงทำให้เกิดประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงที่ดีขึ้นและลดการบำรุงรักษา

โดยสรุปความแข็งของ ซิลิกอนไนไตรด์ ไม่ได้เป็นเพียงคุณสมบัติเดียว แต่เป็นลักษณะพื้นฐานที่เป็นรากฐานของยูทิลิตี้ในวิศวกรรมสมัยใหม่ มันเป็นธรรมชาติที่ไม่ยอมแพ้รวมกับความต้านทานต่อการแตกหักและความร้อน ซิลิกอนไนไตรด์ ตำแหน่งเป็นวัสดุระดับบนสุดสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการมากที่สุด