Què és el nitrur de silici i per què és important
Nitrur de silici (Si3N4) és una ceràmica estructural covalent en la qual els àtoms de silici i nitrogen es mantenen mitjançant enllaços curts i forts. Aquesta gelosia dóna al material una barreja poc comuna de duresa, inercia química i estabilitat tèrmica, per això s'especifica per a peces que han de sobreviure tant a altes temperatures com a cicles ràpids de temperatura. És inherentment lubricant, forma un cristall atòmic en lloc d'un cos porós i resisteix l'oxidació perquè una pel·lícula d'òxid protectora creix a la superfície a l'aire.
Els components fets de nitrur de silici es poden escalfar a més de 1000 graus a l'aire i refredar-se ràpidament i tornar a escalfar sense trencar-se. Per sobre d'aproximadament 1200 graus, la pel·lícula de la superfície manté controlada l'oxidació addicional, de manera que el material es manté utilitzable a la finestra de 1200 a 1400 graus on molts metalls s'arrossegarien o s'escaparien.
Propietats clau de la ceràmica de nitrur de silici
| Propietat | Valor típic | Significat pràctic |
|---|---|---|
| Densitat | 3,1-3,3 g/cm³ | Un 40% més lleuger que l'acer amb una rigidesa similar |
| Duresa Vickers | 1400–1600 HV | Resistència al desgast en coixinets i guies |
| Resistència a la flexió | 600–1000 MPa | Capacitat de càrrega de seccions primes |
| Mòdul elàstic | 300–320 GPa | Desviació molt baixa sota càrrega |
| Expansió tèrmica | aproximadament 3,2 × 10-6/K | Tolerància al xoc tèrmic, disseny de la junta |
| Temperatura màxima de servei | 1200 graus a l'aire | Motor de-secció calenta i peces del forn |
| Tenacitat a la fractura | 5–7 MPa·m1/2 | Tolerància al dany versus ceràmica d'òxid |
Els valors canvien amb la qualificació i la ruta de processament, de manera que una especificació de compra sempre hauria d'anomenar la qualificació, l'estàndard de prova i el límit d'acceptació en lloc de citar un únic número de catàleg.
Rutes de fabricació i com canvien el rendiment
Nitrur de silici unit per reacció (RBSN):una preforma de silici es nitrura en un forn de nitrogen; formes properes-netes amb una força modesta i una mica de porositat residual.
Nitrur de silici premsat en calent (HPSN):densificat sota calor i pressió simultànies, donant la màxima resistència i duresa però limitada a formes simples.
Nitrur de silici sinteritzat (SSN):sinterització sense pressió amb ajudes de sinterització d'òxids, un equilibri de cost i rendiment de les peces de desgast.
Nitrur de silici sinteritzat a pressió de gas (GPS):Densificació de-porus tancats per a components de turbina i coixinets d'alta-fiabilitat.
Pel·lícules primes PECVD:capes de nitrur de silici amorf dipositades sobre hòsties de silici o substrats metàl·lics per a funcions electròniques i òptiques.
Aplicacions industrials
Components mecànics: coixinets, anells de segellat de bomba i eix, guarnició de vàlvules, matrius de trefilatge, conformació de motlles.
Maquinari de potència i motor: pales i pales de la turbina, rotors del turbocompressor, bugies incandescents, pistons i superfícies de la cambra de combustió.
Superfícies calentes dels components del motor que condueixen malament la calor, un enfocament que augmenta l'eficiència tèrmica del dièsel i redueix el consum de combustible.
Mecanitzat: plaquetes indexables, puntes d'eines de tall i eines de ranurat que funcionen sense lubricant a alta velocitat de tall.
Plantes químiques: revestiments-resistents a la corrosió, cares de segellat i broquets exposats a mitjans agressius.
Metal·lúrgia: formes refractàries, ferreteria d'abocament i mànigues protectores que veuen esquitxades de metall fos.
Nitrur de silici en sistemes metal·lúrgics i refractaris
El nitrur de silici s'uneix fortament al carbur de silici, alúmina, nitrur de bor i diòxid de tori, de manera que s'utilitza com a fase d'enllaç i com a modificador de propietats que es pot barrejar en diferents proporcions per ajustar la resistència al xoc tèrmic, la força i la resistència a l'escòria. A la pràctica refractària s'introdueix mitjançant addicions compostes com el nitrur de ferrosilici i el nitrur de manganès de silici, que augmenten la resistència en calent a les barreges d'argila-per forats i barreges sense afegir metall lliure.
La resistència química és selectiva més que universal. El nitrur de silici no està mullat ni atacat per l'alumini fos, el plom, l'estany, la plata, el llautó o el níquel, però està corroït pel magnesi fos, aliatges de níquel-crom i acer inoxidable. Per tant, el disseny de l'equip ha de fer coincidir el grau de ceràmica amb el metall real que s'està manipulant.
Pel·lícules primes per a fotovoltaica i electrònica
Dipositada per PECVD, una pel·lícula de nitrur de silici funciona com un recobriment anti-reflex que redueix la reflexió de la llum incident a una cèl·lula solar i el seu creixement també allibera àtoms d'hidrogen que entren a la pel·lícula i a l'hòstia de silici i passiva els defectes. La proporció atòmica de silici-a-nitrogen en aquestes pel·lícules no és estrictament de 4:3; varia segons les condicions del procés, i cada relació correspon a un comportament òptic i elèctric diferent. La densitat de la pel·lícula, el contingut d'hidrogen i l'índex de refracció són els paràmetres que vinculen les receptes de deposició amb l'eficiència cel·lular final.
Especificació i Control de Qualitat
Resistència a la flexió a temperatura ambient: ASTM C1161 o ISO 14704.
Tenacitat a la fractura: ASTM C1421.
Expansió tèrmica lineal mitjançant la tècnica de la-vareta: ISO 17562.
Registres de lots de densitat, porositat oberta, composició de fase i microestructura, a més d'inspecció dimensional de les peces cotes.
Preguntes freqüents
P: Es pot escalfar el nitrur de silici a 1000 graus a l'aire i després apagar-lo?
Sí. El refredament i el reescalfament ràpids a l'aire no fracturen les peces ben fetes-, que és la propietat que primer va traslladar el material al servei del motor i del forn.
P: A quina temperatura l'oxidació es converteix en un problema?
Per sota d'uns 1200 graus, la pel·lícula d'òxid protectora manté l'oxidació insignificant; entre 1200 graus i 1600 graus, la pel·lícula frena encara més la reacció en lloc d'aturar-la, de manera que la vida útil depèn de la mida de la secció i del temps a la temperatura.
P: Quins metalls fosos ataquen el nitrur de silici?
El magnesi fos, els aliatges de níquel-crom i l'acer inoxidable el corroeixen. L'alumini, el plom, l'estany, la plata, el llautó i el níquel no el mullen ni l'ataquen en condicions normals.
P: Com s'uneix el nitrur de silici a altres refractaris?
Forma enllaços forts amb carbur de silici, alúmina, nitrur de bor i diòxid de tori, de manera que serveix com a agent d'enllaç i es pot proporció a un desajust d'expansió moderat.
P: Per què la proporció de silici-a-nitrogen a les pel·lícules PECVD no és exactament 4:3?
La química de deposició deixa excés de silici o nitrogen depenent de la proporció de gasos, la potència i la temperatura, i cada estequiometria dóna un índex de refracció i un resultat de passivació diferents.
P: Quines propietats hauria d'indicar una comanda de compra?
Grau i ruta de conformació, densitat, estàndard i límit de prova de resistència, acabat superficial i registre d'inspecció - no només el nom del material.
