Što je silicijev nitrid i zašto je važan
Silicijev nitrid (Si3N4) je kovalentna strukturna keramika u kojoj se atomi silicija i dušika drže kratkim, jakim vezama. Ta rešetka daje materijalu neuobičajenu mješavinu tvrdoće, kemijske inertnosti i toplinske stabilnosti, zbog čega je specificirana za dijelove koji moraju preživjeti i visoke temperature i brze promjene temperature. On je inherentno podmazan, tvori atomski kristal, a ne porozno tijelo, i otporan je na oksidaciju jer zaštitni oksidni film raste na površini u zraku.
Komponente izrađene od silicijevog nitrida mogu se zagrijati na više od 1000 stupnjeva na zraku i brzo ohladiti i ponovno zagrijati bez pucanja. Iznad otprilike 1200 stupnjeva površinski film kontrolira daljnju oksidaciju, tako da materijal ostaje upotrebljiv u rasponu od 1200–1400 stupnjeva gdje bi mnogi metali puzali ili se ljuštili.
Ključna svojstva silicij nitrid keramike
| Vlasništvo | Tipična vrijednost | Praktično značenje |
|---|---|---|
| Gustoća | 3,1–3,3 g/cm³ | Oko 40% lakši od čelika pri sličnoj krutosti |
| Tvrdoća po Vickersu | 1400–1600 HV | Otpornost na habanje u ležajevima i vodilicama |
| Čvrstoća na savijanje | 600–1000 MPa | Nosivost tankih profila |
| Modul elastičnosti | 300–320 GPa | Vrlo mali ugib pod opterećenjem |
| Toplinska ekspanzija | oko 3,2 × 10-6/K | Tolerancija na toplinski udar, dizajn spojeva |
| Maksimalna radna temperatura | 1200 stupnjeva u zraku | Dijelovi-motora vrućeg dijela i peći |
| Žilavost loma | 5–7 MPa·m1/2 | Otpornost na oštećenja u odnosu na oksidnu keramiku |
Vrijednosti se mijenjaju s ocjenom i načinom obrade, tako da kupovna specifikacija uvijek treba navesti ocjenu, standard ispitivanja i granicu prihvatljivosti, a ne navesti jedan kataloški broj.
Proizvodne rute i kako one mijenjaju performanse
Reakcijski vezani silicijev nitrid (RBSN):silicijski preform se nitrira u dušičnoj peći; skoro-neto oblika sa skromnom čvrstoćom i nešto zaostale poroznosti.
Vruće prešani silicijev nitrid (HPSN):zgusnut pod istovremenom toplinom i pritiskom, dajući najveću čvrstoću i žilavost, ali ograničen na jednostavne oblike.
Sinterirani silicijev nitrid (SSN):sinteriranje bez pritiska s pomoćnim sredstvima za sinteriranje oksida, ravnoteža troškova i performansi za potrošne dijelove.
Sinterirani silicijev nitrid pod tlakom plina (GPS):zgušnjavanje zatvorenih-pora za visoko{1}}pouzdane ležajeve i komponente turbine.
PECVD tanki filmovi:amorfni slojevi silicijevog nitrida naneseni na silicijske pločice ili metalne podloge za elektroničke i optičke funkcije.
Industrijske primjene
Mehaničke komponente: kotrljajući ležajevi, brtveni prstenovi pumpe i vratila, obloga ventila, kalupi za izvlačenje žice, kalupi za oblikovanje.
Snaga i hardver motora: turbinske lopatice i lopatice, rotori turbopunjača, žarnice, klipovi i površine komore za izgaranje.
Vruće površine komponenti motora koje slabo provode toplinu, pristup koji povećava toplinsku učinkovitost dizela i smanjuje potrošnju goriva.
Strojna obrada: izmjenjive pločice, vrhovi alata za rezanje i alati za utore koji rade bez maziva pri velikoj brzini rezanja.
Kemijska postrojenja: obloge-otporne na koroziju, površine brtvi i mlaznice izložene agresivnim medijima.
Metalurgija: vatrostalni oblici, oprema za izlijevanje i zaštitni omoti koji vide prskanje rastaljenog metala.
Silicijev nitrid u metalurgiji i vatrostalnim sustavima
Silicij nitrid se snažno veže za silicij karbid, aluminijev oksid, bor nitrid i torijev dioksid, pa se koristi kao vezna faza i kao modifikator svojstava koji se može miješati u različitim omjerima za podešavanje otpornosti na toplinske udare, čvrstoće i otpornosti na trosku. U vatrostalnu praksu uvodi se kroz kompozitne dodatke kao što su ferosilicij nitrid i silicij mangan nitrid, koji povećavaju vruću čvrstoću u glini za rupe za slavine i mješavinama za tokiranje bez dodavanja slobodnog metala.
Kemijska otpornost je selektivna, a ne univerzalna. Silicijev nitrid nije smočen ili napadnut rastaljenim aluminijem, olovom, kositrom, srebrom, mesingom ili niklom, ali je korodiran rastaljenim magnezijem, legurama nikla-kroma i nehrđajućim čelikom. Dizajn opreme stoga mora odgovarati stupnju keramike stvarnom metalu kojim se rukuje.
Tanki filmovi za fotonapon i elektroniku
Deponiran pomoću PECVD-a, film silicijevog nitrida djeluje kao anti{0}}refleksijski premaz koji smanjuje refleksiju upadne svjetlosti na solarnu ćeliju, a njegov rast također oslobađa atome vodika koji ulaze u film i silicijsku pločicu te pasiviziraju defekte. Atomski omjer silicija-i-dušika u takvim filmovima nije striktno 4:3; varira s uvjetima procesa, a svaki omjer odgovara različitom optičkom i električnom ponašanju. Gustoća filma, sadržaj vodika i indeks loma su parametri koji povezuju recepte taloženja s konačnom učinkovitošću ćelije.
Specifikacija i kontrola kvalitete
Čvrstoća na savijanje na temperaturi okoline: ASTM C1161 ili ISO 14704.
Žilavost loma: ASTM C1421.
Linearno toplinsko širenje tehnikom potisne šipke: ISO 17562.
Evidencija serija za gustoću, otvorenu poroznost, fazni sastav i mikrostrukturu, plus dimenzionalni pregled pečenih dijelova.
Često postavljana pitanja
P: Može li se silicijev nitrid zagrijati na 1000 stupnjeva na zraku i zatim ugasiti?
Da. Brzo hlađenje i ponovno zagrijavanje na zraku ne lomi dobro-izrađene dijelove, što je svojstvo koje je prvo pokrenulo materijal u pogonu motora i peći.
P: Na kojoj temperaturi oksidacija postaje problem?
Ispod oko 1200 stupnjeva zaštitni oksidni film drži oksidaciju zanemarivom; između 1200 stupnjeva i 1600 stupnjeva film dodatno usporava reakciju umjesto da je zaustavlja, tako da radni vijek ovisi o veličini dijela i vremenu na temperaturi.
P: Koji rastaljeni metali napadaju silicijev nitrid?
Otopljeni magnezij, legure nikla-kroma i nehrđajući čelik nagrizaju ga. Aluminij, olovo, kositar, srebro, mjed i nikal ga ne smoče niti napadaju u normalnim uvjetima.
P: Kako se silicijev nitrid spaja s drugim vatrostalnim materijalima?
Stvara snažne veze sa silicijevim karbidom, glinicom, borovim nitridom i torijevim dioksidom, tako da služi kao vezivno sredstvo i može se razmjeriti do umjerene neusklađenosti ekspanzije.
P: Zašto omjer silicija-i-dušika u PECVD filmovima nije točno 4:3?
Kemija taloženja ostavlja višak silicija ili dušika ovisno o omjeru plina, snazi i temperaturi, a svaka stehiometrija daje drugačiji indeks loma i rezultat pasivizacije.
P: Koje nekretnine treba navesti u narudžbenici?
Klasa i ruta oblikovanja, gustoća, standard i granica ispitivanja čvrstoće, završna obrada površine i zapisnik inspekcije - ne samo naziv materijala.
