เหตุใดซิลิคอนไนไตรด์จึงเข้ามาแทนที่เหล็กในวิศวกรรมประสิทธิภาพสูง- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

คุณสมบัติหลักของซิลิคอนไนไตรด์ (Si3N4)

ซิลิคอนไนไตรด์ เป็นเซรามิกทางเทคนิคสมรรถนะสูงที่โดดเด่นด้วยการผสมผสานคุณสมบัติทางความร้อน ทางกล และทางไฟฟ้าที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งแตกต่างจากเซรามิกอื่นๆ จำนวนมากที่เปราะภายใต้ความเครียดจากความร้อน ซิลิคอนไนไตรด์มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนต่ำมากและมีความทนทานต่อการแตกหักสูง ทำให้ทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน ทำให้สามารถทนต่อความผันผวนของอุณหภูมิอย่างรวดเร็วโดยไม่แตกร้าว ในทางเคมี ประกอบด้วยซิลิคอนและไนโตรเจนที่จัดเรียงอยู่ในโครงสร้างพันธะโควาเลนต์ ซึ่งส่งผลให้วัสดุมีความแข็งเกือบเท่าเพชร ในขณะที่ยังคงเบากว่าโลหะผสมเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงอย่างมาก

ลักษณะทางกายภาพและทางความร้อน

คุณสมบัติ	ค่าทั่วไป
ความหนาแน่น	3.2 - 3.5 ก./ซม.³
ความแข็ง (วิคเกอร์)	14.00 - 16.00 น
การนำความร้อน	20 - 30 วัตต์/เมตร·เค
อุณหภูมิในการทำงานสูงสุด	สูงถึง 1200°C

กระบวนการผลิตและเกรดวัสดุ

ประสิทธิภาพของซิลิคอนไนไตรด์ขึ้นอยู่กับวิธีการสังเคราะห์และทำให้ผงหนาแน่นเป็นอย่างมาก เนื่องจากวัสดุไม่ละลายจึงต้องก่อตัวผ่านกระบวนการเผาผนึก Reaction Bonded Silicon Nitride (RBSN) ถูกสร้างขึ้นโดยการทำไนไตรด์ด้วยผงซิลิกอนที่มีขนาดกะทัดรัด ส่งผลให้มีความเสถียรของขนาดที่ดีเยี่ยมแต่มีความพรุนสูงกว่า ในทางตรงกันข้าม ซิลิคอนไนไตรด์เผาผนึกด้วยแรงดันแก๊ส (GPSSN) และซิลิคอนไนไตรด์แบบอัดร้อน (HPSN) ใช้แรงดันและอุณหภูมิสูงเพื่อให้ได้ความหนาแน่นที่ใกล้เคียงทฤษฎี โดยให้ความแข็งแรงเชิงกลสูงสุดสำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศและยานยนต์ที่มีความต้องการสูง

ซิลิกอนไนไตรด์เผา (SSN): ใช้สารเติมแต่งเพื่อช่วยให้เกิดความหนาแน่นที่อุณหภูมิสูง
Hot Isostatic Pressed (HIP-SN): ขจัดช่องว่างขนาดเล็กภายในเพื่อต้านทานความล้าสูงสุด
Reaction Bonded (RBSN): เหมาะที่สุดสำหรับรูปทรงที่ซับซ้อนซึ่งจำเป็นต้องมีพิกัดความเผื่อต่ำโดยไม่ต้องตัดเฉือน

การใช้งานทางอุตสาหกรรมและข้อดีทางวิศวกรรม

ในภาคยานยนต์และอวกาศ ซิลิคอนไนไตรด์คือมาตรฐานทองคำสำหรับส่วนประกอบตลับลูกปืนความเร็วสูง ตลับลูกปืนเซรามิกที่ทำจาก Si3N4 เบากว่าเหล็กถึง 40% ทำให้เกิดแรงเสียดทานน้อยกว่า และสามารถทำงานได้โดยไม่ต้องหล่อลื่นในช่วงเวลาสั้นๆ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับสถานการณ์ฉุกเฉินในเครื่องยนต์ไอพ่น นอกจากนี้ คุณสมบัติที่ไม่ใช่แม่เหล็กและเป็นฉนวนไฟฟ้าทำให้เหมาะสำหรับใช้ในอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์และการปลูกถ่ายทางการแพทย์ ซึ่งต้องหลีกเลี่ยงการรบกวนการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (MRI) หรือวงจรไฟฟ้า

ประโยชน์หลักในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

ความต้านทานการกัดกร่อน: ไม่สามารถทนต่อกรดและสารละลายด่างส่วนใหญ่ที่อุณหภูมิห้องได้
ความต้านทานการสึกหรอ: อายุการใช้งานยาวนานกว่าในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเมื่อเปรียบเทียบกับทังสเตนคาร์ไบด์
ความแข็งสูง: ให้ความแข็งแกร่งของโครงสร้างที่ดีเยี่ยมด้วย Young's Modulus ประมาณ 310 GPa

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบส่วนประกอบซิลิคอนไนไตรด์

เมื่อออกแบบด้วยซิลิคอนไนไตรด์ วิศวกรจะต้องคำนึงถึงการขาดความเหนียวของวัสดุ แม้ว่าแรงอัดจะแรงอย่างไม่น่าเชื่อ แต่ก็มีความไวต่อแรงกดและความตึงของจุด เพื่อยืดอายุการใช้งานชิ้นส่วนเซรามิกให้ยาวนานที่สุด จำเป็นต้องหลีกเลี่ยงมุมภายในที่แหลมคม และใช้รัศมีที่กว้างเพื่อกระจายแรงเค้น นอกจากนี้ เนื่องจากซิลิคอนไนไตรด์เป็นเรื่องยากที่จะตัดเฉือนหลังจากการเผาผนึก ส่วนประกอบจึงควรได้รับการออกแบบให้ใกล้เคียงกับ "รูปร่างสุทธิ" มากที่สุด หรือกราวด์โดยใช้เครื่องมือปลายเพชรเพื่อให้ได้พิกัดความเผื่อขั้นสุดท้าย การบูรณาการอย่างเหมาะสมมักจะเกี่ยวข้องกับการใช้กาวแบบหดตัวหรือกาวพิเศษเพื่อยึดติดเซรามิกกับตัวเรือนโลหะ