نیترید سیلیکون چیست و چرا اهمیت دارد
نیترید سیلیکون (Si3N4) یک سرامیک ساختاری کووالانسی است که در آن اتم های سیلیکون و نیتروژن توسط پیوندهای کوتاه و قوی نگه داشته می شوند. این شبکه ترکیبی غیر معمول از سختی، بی اثری شیمیایی و پایداری حرارتی به مواد می دهد، به همین دلیل است که برای قطعاتی که باید هم در دمای بالا و هم در چرخه دمای سریع زنده بمانند، مشخص شده است. ذاتا روان کننده است، به جای یک جسم متخلخل، یک کریستال اتمی را تشکیل می دهد و در برابر اکسیداسیون مقاومت می کند زیرا یک لایه اکسید محافظ روی سطح در هوا رشد می کند.
اجزای ساخته شده از نیترید سیلیکون را می توان تا بیش از 1000 درجه در هوا گرم کرد و به سرعت خنک کرد و بدون ترک خوردگی دوباره گرم کرد. در دمای بالای 1200 درجه، لایه سطحی اکسیداسیون بیشتر را کنترل می کند، بنابراین این ماده در پنجره 1200-1400 درجه که بسیاری از فلزات خزش می کنند یا پوسته می شوند، قابل استفاده می ماند.
خواص کلیدی سرامیک نیترید سیلیکون
| اموال | ارزش معمولی | معنای عملی |
|---|---|---|
| تراکم | 3.1-3.3 g/cm³ | حدود 40٪ سبک تر از فولاد در سختی مشابه است |
| سختی ویکرز | 1400-1600 HV | مقاومت در برابر سایش در یاتاقان ها و راهنماها |
| استحکام خمشی | 600-1000 مگاپاسکال | ظرفیت بار مقاطع نازک |
| مدول الاستیک | 300-320 گیگا پاسکال | انحراف بسیار کم تحت بار |
| انبساط حرارتی | حدود 3.2 × 10-6/K | تحمل شوک حرارتی، طراحی مفصل |
| حداکثر دمای سرویس | 1200 درجه در هوا | بخش گرم-موتور و قطعات کوره |
| چقرمگی شکست | 5-7 مگاپاسکال1/2 | تحمل آسیب در مقابل سرامیک های اکسیدی |
ارزش ها با درجه و مسیر پردازش تغییر می کنند، بنابراین مشخصات خرید همیشه باید به جای ذکر یک شماره کاتالوگ، نمره، استاندارد آزمون و حد پذیرش را ذکر کند.
مسیرهای تولید و نحوه تغییر عملکرد آنها
نیترید سیلیکون پیوند شده با واکنش (RBSN):یک پریفرم سیلیکونی در یک کوره نیتروژن نیترید می شود. نزدیک-شکل های شبکه با استحکام متوسط و مقداری تخلخل باقیمانده.
نیترید سیلیکون فشرده داغ (HPSN):تحت گرما و فشار همزمان متراکم می شود و بالاترین استحکام و چقرمگی را می دهد اما محدود به اشکال ساده است.
نیترید سیلیکون متخلخل (SSN):تف جوشی بدون فشار با کمک های پخت اکسید، تعادل هزینه و عملکرد برای قطعات سایش.
نیترید سیلیکون متخلخل با فشار گاز (GPS):بسته-تراکم منافذ برای اجزای بلبرینگ و توربین با قابلیت اطمینان بالا{{1}.
لایه های نازک PECVD:لایه‌های نیترید سیلیکون آمورف که روی ویفرهای سیلیکونی یا بسترهای فلزی برای عملکردهای الکترونیکی و نوری قرار می‌گیرند.
کاربردهای صنعتی
اجزای مکانیکی: یاتاقان های غلتشی، حلقه های مهر و موم پمپ و شفت، تریم سوپاپ، قالب های کشش سیم، قالب های شکل دهی.
قدرت و سخت‌افزار موتور: پره‌ها و پره‌های توربین، روتورهای توربوشارژر، شمع‌ها، سطوح پیستون و محفظه احتراق.
سطوح داغ اجزای موتور که گرما را ضعیف هدایت می کنند، رویکردی که بازده حرارتی دیزل را افزایش می دهد و مصرف سوخت را کاهش می دهد.
ماشینکاری: درج های قابل نمایش، نوک ابزار برش و ابزارهای شیار زنی که بدون روان کننده با سرعت برش بالا کار می کنند.
کارخانه‌های شیمیایی: آسترهای مقاوم در برابر خوردگی{0}}، سطوح آب‌بندی و نازل‌هایی که در معرض رسانه‌های تهاجمی قرار دارند.
متالورژی: اشکال نسوز، سخت افزار ریخته گری و آستین های محافظ که پاشیدن فلز مذاب را می بینند.
نیترید سیلیکون در متالورژی و سیستم های دیرگداز
نیترید سیلیکون به شدت به کاربید سیلیکون، آلومینا، نیترید بور و دی اکسید توریم متصل می شود، بنابراین از آن به عنوان یک فاز پیوند و به عنوان یک اصلاح کننده خاصیت استفاده می شود که می تواند در نسبت های مختلف برای تنظیم مقاومت در برابر شوک حرارتی، مقاومت و مقاومت در برابر سرباره استفاده شود. در عمل نسوز از طریق افزودنی‌های کامپوزیتی مانند نیترید فروسیلیس و نیترید منگنز سیلیکون، که استحکام گرم را در مخلوط‌های خاک رس-سوراخ و تفنگدار بدون افزودن فلز آزاد افزایش می‌دهند، معرفی می‌شود.
مقاومت شیمیایی انتخابی است تا جهانی. نیترید سیلیکون توسط آلومینیوم مذاب، سرب، قلع، نقره، برنج یا نیکل خیس یا مورد حمله قرار نمی گیرد، اما توسط آلیاژهای منیزیم مذاب، نیکل{1}}کروم و فولاد ضد زنگ خورده می شود. بنابراین طراحی تجهیزات باید درجه سرامیکی را با فلز واقعی مورد استفاده مطابقت دهد.
لایه های نازک برای فتوولتائیک و الکترونیک
یک فیلم نیترید سیلیکون که توسط PECVD رسوب شده است، به عنوان یک پوشش ضد انعکاس- عمل می کند که انعکاس نور تابیده شده بر روی سلول خورشیدی را کاهش می دهد و رشد آن همچنین باعث آزاد شدن اتم های هیدروژن می شود که وارد فیلم و ویفر سیلیکون می شوند و نقص های غیرفعال می شود. نسبت اتمی سیلیکون به نیتروژن در چنین فیلم هایی کاملاً 4:3 نیست. با شرایط فرآیند متفاوت است و هر نسبت با رفتار نوری و الکتریکی متفاوتی مطابقت دارد. چگالی فیلم، محتوای هیدروژن و ضریب شکست پارامترهایی هستند که دستورات رسوب را به کارایی سلولی نهایی مرتبط می‌کنند.
مشخصات و کنترل کیفیت
استحکام خمشی در دمای محیط: ASTM C1161 یا ISO 14704.
چقرمگی شکست: ASTM C1421.
انبساط حرارتی خطی با تکنیک فشار{0}}: ISO 17562.
سوابق دسته‌ای برای چگالی، تخلخل باز، ترکیب فاز و ریزساختار، به‌علاوه بازرسی ابعادی قطعات آتش‌گرفته شده.
سوالات متداول
س: آیا نیترید سیلیکون را می توان تا 1000 درجه در هوا گرم کرد و سپس خاموش کرد؟
بله. خنک شدن و گرم شدن مجدد در هوا باعث شکسته شدن قطعات خوب-نمی شود، این خاصیتی است که اولین بار مواد را به موتور و کوره منتقل کرد.
س: در چه دمایی اکسیداسیون مشکل ساز می شود؟
زیر حدود 1200 درجه، فیلم اکسید محافظ اکسیداسیون را ناچیز نگه می دارد. بین 1200 درجه تا 1600 درجه، فیلم به جای متوقف کردن آن، واکنش را بیشتر کند می کند، بنابراین عمر مفید به اندازه بخش و زمان در دما بستگی دارد.
س: کدام فلزات مذاب به نیترید سیلیکون حمله می کنند؟
منیزیم مذاب، نیکل{0}}آلیاژهای کروم و فولاد ضد زنگ آن را خورده می کنند. آلومینیوم، سرب، قلع، نقره، برنج و نیکل در شرایط عادی آن را خیس نمی کنند و به آن حمله نمی کنند.
س: نیترید سیلیکون چگونه به دیرگدازهای دیگر متصل می شود؟
پیوندهای قوی با کاربید سیلیکون، آلومینا، نیترید بور و دی اکسید توریم ایجاد می کند، بنابراین به عنوان یک عامل پیوند عمل می کند و می تواند با عدم تطابق انبساط متوسط متناسب باشد.
س: چرا نسبت سیلیکون به نیتروژن در فیلم های PECVD دقیقاً 4:3 نیست؟
شیمی رسوب، سیلیکون یا نیتروژن اضافی را بسته به نسبت گاز، قدرت و دما بر جای می گذارد و هر استوکیومتری ضریب شکست و نتیجه غیرفعال شدن متفاوتی را ارائه می دهد.
س: در یک سفارش خرید کدام املاک باید ذکر شود؟
درجه و مسیر شکل دهی، چگالی، استاندارد و حد تست مقاومت، پرداخت سطح، و سابقه بازرسی - نه فقط نام ماده.
