لماذا يحل نيتريد السيليكون محل الفولاذ في الهندسة عالية الأداء- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

الخصائص الأساسية لنتريد السيليكون (Si3N4)

نيتريد السيليكون هو سيراميك تقني عالي الأداء يتميز بمزيج فريد من الخصائص الحرارية والميكانيكية والكهربائية. على عكس العديد من أنواع السيراميك الأخرى التي تكون هشة تحت الضغط الحراري، يتميز نيتريد السيليكون بمعامل منخفض جدًا للتمدد الحراري وصلابة عالية للكسر. وهذا يجعلها مقاومة بشكل استثنائي للصدمات الحرارية، مما يسمح لها بتحمل التقلبات السريعة في درجات الحرارة دون أن تتشقق. كيميائيًا، يتكون من السيليكون والنيتروجين المرتبين في بنية رابطة تساهمية، مما ينتج عنه مادة تقارب صلابة الماس بينما تظل أخف بكثير من سبائك الفولاذ عالية القوة.

الخصائص الفيزيائية والحرارية

الملكية	القيمة النموذجية
الكثافة	3.2 - 3.5 جم/سم3
صلابة (فيكرز)	1400 - 1600 فولت
الموصلية الحرارية	20 - 30 وات/م·ك
أقصى درجة حرارة التشغيل	تصل إلى 1200 درجة مئوية

عمليات التصنيع ودرجات المواد

يعتمد أداء نيتريد السيليكون بشكل كبير على الطريقة المستخدمة لتركيب المسحوق وتكثيفه. ونظرًا لأن المادة لا تذوب، فيجب تشكيلها من خلال عمليات التلبيد. يتم إنشاء نيتريد السيليكون المرتبط بالتفاعل (RBSN) عن طريق نيترة مسحوق السيليكون المضغوط، مما يؤدي إلى استقرار ممتاز للأبعاد ولكن مسامية أعلى. في المقابل، يستخدم نيتريد السيليكون الملبد المضغوط بالغاز (GPSSN) ونيتريد السيليكون المضغوط الساخن (HPSN) الضغط العالي ودرجة الحرارة لتحقيق كثافة شبه نظرية، مما يوفر أعلى قوة ميكانيكية لتطبيقات الطيران والسيارات الصعبة.

نيتريد السيليكون الملبد (SSN): يستخدم مواد مضافة لتسهيل التكثيف عند درجات الحرارة العالية.
الضغط المتوازن الساخن (HIP-SN): يزيل الفراغات الدقيقة الداخلية للحصول على أقصى مقاومة للتعب.
رد الفعل المستعبد (RBSN): الأفضل للأشكال المعقدة التي تتطلب تفاوتات مشددة دون المعالجة الآلية.

التطبيقات الصناعية والمزايا الهندسية

في قطاعي السيارات والفضاء، يعتبر نيتريد السيليكون هو المعيار الذهبي لمكونات المحامل عالية السرعة. تعتبر المحامل الكروية الخزفية المصنوعة من Si3N4 أخف بنسبة 40% من الفولاذ، وتنتج احتكاكًا أقل، ويمكن أن تعمل بدون تشحيم لفترات قصيرة، وهو أمر بالغ الأهمية لسيناريوهات الطوارئ في المحركات النفاثة. علاوة على ذلك، فإن خصائصه غير المغناطيسية والعازلة للكهرباء تجعله مثاليًا للاستخدام في معدات تصنيع أشباه الموصلات والمزروعات الطبية، حيث يجب تجنب التداخل مع التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) أو الدوائر الكهربائية.

الفوائد الرئيسية في البيئات القاسية

مقاومة التآكل: مقاومة لمعظم الأحماض والمحاليل القلوية في درجة حرارة الغرفة.
مقاومة التآكل: طول العمر الفائق في البيئات الكاشطة مقارنة بكربيد التنغستن.
الصلابة العالية: توفر صلابة هيكلية ممتازة مع معامل يونج يبلغ حوالي 310 جيجا باسكال.

اعتبارات التصميم لمكونات نيتريد السيليكون

عند التصميم باستخدام نيتريد السيليكون، يجب على المهندسين أن يأخذوا في الاعتبار افتقار المادة إلى الليونة. في حين أنه قوي بشكل لا يصدق في الضغط، فهو حساس لتحميل النقطة والتوتر. لزيادة عمر أجزاء السيراميك إلى أقصى حد، من الضروري تجنب الزوايا الداخلية الحادة واستخدام أنصاف أقطار كبيرة لتوزيع الضغط. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لصعوبة تصنيع نيتريد السيليكون بعد التلبيد، يجب تصميم المكونات لتكون أقرب إلى "الشكل الشبكي" قدر الإمكان، أو طحنها باستخدام أدوات ذات رؤوس ماسية لتحقيق التفاوتات النهائية. غالبًا ما يتضمن التكامل الصحيح استخدام مواد لاصقة أو مواد لاصقة متخصصة لربط السيراميك بالعلب المعدنية.