Waarom siliciumnitride staal vervangt in hoogwaardige techniek- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

Kerneigenschappen van siliciumnitride (Si3N4)

Siliciumnitride is een hoogwaardig technisch keramiek dat wordt gekenmerkt door zijn unieke combinatie van thermische, mechanische en elektrische eigenschappen. In tegenstelling tot veel andere keramieksoorten die bros zijn onder thermische spanning, beschikt Siliciumnitride over een zeer lage thermische uitzettingscoëfficiënt en een hoge breuktaaiheid. Dit maakt het uitzonderlijk bestand tegen thermische schokken, waardoor het bestand is tegen snelle temperatuurschommelingen zonder te barsten. Chemisch gezien bestaat het uit silicium en stikstof, gerangschikt in een covalente bindingsstructuur, wat resulteert in een materiaal dat bijna net zo hard is als diamant, terwijl het aanzienlijk lichter blijft dan staallegeringen met een hoge sterkte.

Fysieke en thermische kenmerken

Eigendom	Typische waarde
Dichtheid	3,2 - 3,5 g/cm³
Hardheid (Vickers)	1400 - 1600 hoogspanning
Thermische geleidbaarheid	20 - 30 W/m·K
Maximale bedrijfstemperatuur	Tot 1200°C

Productieprocessen en materiaalkwaliteiten

De prestaties van siliciumnitride zijn sterk afhankelijk van de methode die wordt gebruikt om het poeder te synthetiseren en te verdichten. Omdat het materiaal niet smelt, moet het worden gevormd door middel van sinterprocessen. Reaction Bonded Silicon Nitride (RBSN) wordt gecreëerd door het nitreren van een compact siliciumpoeder, wat resulteert in uitstekende maatvastheid maar een hogere porositeit. Daarentegen gebruiken Gas Pressureed Sintered Silicon Nitride (GPSSN) en Hot Pressed Silicon Nitride (HPSN) hoge druk en temperatuur om een vrijwel theoretische dichtheid te bereiken, wat de hoogste mechanische sterkte biedt voor veeleisende lucht- en ruimtevaart- en automobieltoepassingen.

Gesinterd Siliciumnitride (SSN): Gebruikt additieven om verdichting bij hoge temperaturen te vergemakkelijken.
Hot Isostatic Pressed (HIP-SN): Elimineert interne micro-holtes voor maximale weerstand tegen vermoeidheid.
Reaction Bonded (RBSN): Beste voor complexe vormen waarbij nauwe toleranties vereist zijn zonder bewerking.

Industriële toepassingen en technische voordelen

In de automobiel- en ruimtevaartsector is siliciumnitride de gouden standaard voor hogesnelheidlagercomponenten. Keramische kogellagers gemaakt van Si3N4 zijn 40% lichter dan staal, produceren minder wrijving en kunnen gedurende korte perioden zonder smering werken, wat van cruciaal belang is voor noodscenario's in straalmotoren. Bovendien maken de niet-magnetische en elektrisch isolerende eigenschappen het ideaal voor gebruik in halfgeleiderproductieapparatuur en medische implantaten, waar interferentie met magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) of elektrische circuits moet worden vermeden.

Belangrijkste voordelen in extreme omgevingen

Corrosiebestendigheid: Ongevoelig voor de meeste zuren en alkalische oplossingen bij kamertemperatuur.
Slijtvastheid: Superieure levensduur in schurende omgevingen vergeleken met wolfraamcarbide.
Hoge stijfheid: Biedt uitstekende structurele stijfheid met een Young-modulus van ongeveer 310 GPa.

Ontwerpoverwegingen voor componenten van siliciumnitride

Bij het ontwerpen met siliciumnitride moeten ingenieurs rekening houden met het gebrek aan ductiliteit van het materiaal. Hoewel het ongelooflijk sterk is bij compressie, is het gevoelig voor puntbelasting en spanning. Om de levensduur van keramische onderdelen te maximaliseren, is het essentieel om scherpe interne hoeken te vermijden en royale stralen te gebruiken om de spanning te verdelen. Omdat siliciumnitride na het sinteren moeilijk te bewerken is, moeten componenten bovendien zo dicht mogelijk bij de "netvorm" worden ontworpen, of worden geslepen met behulp van diamantgereedschappen om uiteindelijke toleranties te bereiken. Een goede integratie impliceert vaak het gebruik van krimppassingen of gespecialiseerde lijmen om het keramiek op de metalen behuizingen te hechten.