窒化ケイ素セラミックとは何ですか?
窒化ケイ素(Si₃N₄)は高度なcovalently保税無機非铁金属材料であるシリコンの窒素人で構成されている。1857年に初めて合成された#39;tは20世紀半ばまでaとしてその驚異的な可能性構造工学陶器は完全に実現した。今日では、先端材料科学の頂点に立ち、速度、温度、信頼性の限界を超える技術を可能にしています。
頼る酸化物陶磁器(ようアルミナ)とは違ってイオン結合、Si₃N₄特徴強い共有結合(約70%が共有結合性、30%がイオン性)。この原子構造は、その並外れた硬度、高温安定性、化学攻撃に対する耐性の原因となっています。Si₃N₄存在する予選第2戦crystallographic段階から低温のα(α)位相と高温β(β)位相。製造過程でα-phase粉に変換される細長いβ-phase粒の穀物、独特の「子供をを創り出してSi₃N₄与えられるself-reinforcing"微视的が伝説強い体力。
共有結合をであるが故に添加物とのないsinter engineering-grade Si₃N₄によって作成される正確な金額は焼成エイズ(典型的にはY₂O₃アル・₂O₃)や先進2回のシェーディング的な技法ガス圧力焼成(GPS)もしくは暑いIsostatic押下(ヒップ)。その結果、地球上および宇宙で最も要求の厳しいアプリケーションに対応できる、ほぼネット形状の完全高密度セラミック部品が実現します。
N氏をSi₃の核心組織埋め込め₄
以下の表は、現代のエンジニアリングに不可欠な焼結窒化ケイ素の物理的、機械的、熱的特性の定義をまとめたものです。
| 財産カテゴリ | 具体的な財産 | 典型的な値 | 工学意味 |
|---|---|---|---|
| 機械 | 硬度(ヴィッカーズから) | GPaを采スーパー・スキンズ」 | 極端な摩耗&耐摩耗性 |
| 骨折靭性を分担(KIC) | 6 ~ 8メガパスカル・m½ | モノリシックセラミックの中で最も高い | |
| 屈曲力 | 700-1000 MPa | 高い機械的負荷に耐えられます | |
| 熱 | 熱膨張(ワイン) | 320×10⁻⁶/°C | 試合金属;最小限の応力 |
| 熱伝導率 | 20 ~ 30 W / m・K | 大増殖暑気払い熱暴走を防ぐ | |
| 熱ショック抵抗 | ΔT > 800°C | 急冷に耐え、割れない | |
| 物理 | 密度 | 3.2 g / cm³ | 鋼鉄よりも60%軽い惰性を減らす |
| 電気抵抗率 | >、¹= 10⁴Ω・cm | 完璧な電気絶縁体 | |
| 化学 | 耐食性 | 優秀な | ほとんどの酸、アルカリ、&に免疫;溶融金属 |
エスアイ₃の秘密N₄靭性:微视的&亀裂ブリッジ
なんでそんなにSi₃N₄他の陶磁器より?答えはそのユニークさにありますself-reinforcing微视的。以下の図どう細長いβ-Si₃N₄チャーリーを生み出すので穀物なくcrack-bridging"機構停車骨折布教 頭に特徴equiaxed陶磁器でアルが全く₂O₃またはSiC:
図1:Si₃N₄Crack-Bridging Toughening機構
延長知識:α~β位相変換
焼成中>で1750年°C、開始α-Si₃N₄粉末中に液体としてすわって位相成分およびreprecipitates細長いβ-Si₃N₄穀物。焼結温度、時間、窒素圧力を正確に制御することで、材料科学者は粒のアスペクト比(長さと幅)を調整します。高いアスペクト比はより高い靭性をもたらし、より細かい粒はより高い強度をもたらします。
何で、アル・₂O₃SiCもろい
従来の陶磁器アルミナ(アル₂O₃)や炭化シリコン(SiC)は穀物equiaxed(ラウンド/ん)。亀裂が始まると、抵抗ゼロで粒界を直進し、瞬時に壊滅的な粉砕を引き起こします。Si₃N₄'s細長い粒子は、亀裂をジグザグ、ブリッジ、エネルギー0に強制し、破壊モードを脆性から準延性に根本的に変更します。
窒化ケイ素の主な利点
エンジニア指定がSi₃N₄、失敗する典型的に解決特定いる金属または他の陶磁器限界モードである。主な利点は以下の通り:
ダメージを寛容
KIC最大8 mpa・m½、Si₃N₄生き残って影響ロードを摂取する圧力サージ、以及突变结的や世界観をSiCかOアル₂と₃即死だった動的で衝撃の大きいアプリケーションに対応する唯一のセラミックセーフです。
極熱衝撃生存率
ワインが低い(3.2 ppm / K)適度な熱伝導率を合わせ高い実力さえあればSi₃N₄とは快速焼入れ生きる800°C冷水に取る血管のバイパス手術金属製酸化物の大半は快挙無理。
大規模な体重削減
320 g / cm³Si₃N₄は重さ40%が製鋼1.34%、22%の重み硬质合金タングステン钢持である。高速回転部品(ベアリング、タービン)では、遠心力を60%低減し、高回転数化と低消費電力化を実現します。
電気&磁気中立性
Si₃N₄完璧な電気絶縁体完全にの。これにより、evモーターベアリングの放電加工(edm)孔食を防止し、mri装置や半導体プラズマチャンバーへの使用が可能となります。
普遍的な化学Inertness
Si₃酸にN₄ことは事実上免疫を受けたために、アルカリ、有機溶剤。重要な、溶融非鉄金属による濡れ性はありません(al、zn、cu)、それは冶金処理のための究極の材料を作ります。
高温力保持
鉄鋼の50%力を失うその実力500°Cは高級Si₃N₄room-temperature补满と硬度を維持1200°C-1400°Cジェットエンジンや工業炉での使用が可能です。
Si₃N₄vs代替材料:性能マップと
以下のレーダーチャートは、6つの重要な性能軸にわたって、4つの一般的なエンジニアリング材料と窒化ケイ素を視覚的に比較しています。わかんないSi₃N₄(藍線)支配外チャートの縁が最も均衡および総合不動産を表す语版:
svg図2:多軸材料性能レーダーチャート
注:SiCエッジ外出する时のうちSi₃N₄、純粋な硬度の上でかすかにSi₃N₄'破壊靭性と熱衝撃に優れたsは、動的な現実世界のエンジニアリング環境に最適です。
工業用途&エスアイ₃のアプリケーションN₄
その多様な特性特性により、窒化ケイ素は、ニッチな実験用材料から、複数の世界的産業において重要な実現技術へと移行しています。
ベアリング& Tribology
用途:ハイブリッドセラミック玉軸受、風力タービン主軸軸受、ev主電動機軸受、工作機械主軸軸受。
何でSi₃₄:60%の軽量化により、高回転時の遠心力を低減します。電気絶縁により、evモーターのedm孔食が防止されます。限界潤滑で確実に動作します。
自動車& evパワートレイン
用途:ターボチャージャのローターエンジンのバルブリフターグロープラグamb(活性金属ろう付け)基板evインバータのsic / igbtパワーモジュール向け。
何でSi₃₄:高い熱疲労耐性により、amb基板は銅の剝離なしで10,000熱サイクルに耐えられます。
航空宇宙&国防
用途:ガスタービンメインシャフトベアリング、ラドーム、ミサイルノーズコーン、航空宇宙ファスナー、衛星構造部品。
何でSi₃₄:>で強度を維持;1000°c、軽量で、レーダー周波数(ラドーム)に透明。宇宙環境の極端な熱サイクルに耐えられます
冶金&金属加工
用途:熱電対保護管、るつぼ、取鍋部品、連続キャスターロールベアリング、および溶融金属搬送ノズル。
何でSi₃₄: Non-wetting溶解したアルミニウム、亜鉛、銅でできています溶融金属に突入したときの熱衝撃に対する免疫。溶融物を汚染しません。
半導体製造
用途:ウェーハボートキャリア、エッチングチャンバー用フォーカスリング、cmp保持リング、およびヒーターカバー。
何でSi₃₄:超低粒子発生、高プラズマ耐浸食性(石英より優れている)、クリーンルーム環境での金属汚染がありません。
切削工具&アンプ;機械加工
用途:鋳鉄、超合金(インコネル)、および硬化鋼の高速加工のための刃先交換インサート。
何でSi₃₄:極端な高温硬度は、超硬工具よりも5 ~ 10倍高速の速度で乾燥加工を可能にします。化学的安定性により、クレーター摩耗や蓄積エッジを防止します。
Si₃N₄vsその他工学資料
| 財産 | Si₃N₄ | Al₂O₃ | ZrO₂ | SiC | 軸受鉄鋼 |
|---|---|---|---|---|---|
| 密度(g / cm³) | 3.2 | 3.9 | 6.0 | 3.2 | 7.8 |
| 骨折靭性を分担(MPa・m½) | 6 ~ 8★ | 3 ~ 5 | 5 | 3 ~ 5 | 15 ~ 25 |
| 熱ショック(ΔT°C) | > 800★ | ~ 200 | ~ 300 | ~ 400 | N / A |
| 最大使用温度(°c) | 1400★ | 1200 | 800 | 1600 | ~ 200 |
| 电気绝縁 | 優秀な★ | 優秀な | 良い | 半導体 | 指揮者 |
何でパートナーHUACIJULIとSi₃₄解決策は?
材料科学熟達
私たちはdon't機械Si₃されたN₄;微細構造を設計します制御から火薬・弾薬化学β-grainアスペクト比のネタを特定のアプリケーションを最適化。
エンドツーエンド製造
社内gps / hip焼結、5軸cncダイヤモンド研削、ラッピング、および研磨。1つの屋根の下で、未加工の粉末から完成した検査済みコンポーネントまで。
グローバルアプリケーション支援
当社のエンジニアリングチームは、お客様の設計者と直接協力して、熱、摩耗、および構造上の課題を解決し、dfm (design for manufacturing ability)フィードバックを提供します。
工学にSi₃にアップグレード用意はいいN₄?
当社の材料科学チームにお問い合わせいただき、アプリケーションについてご相談いただき、カスタム窒化ケイ素ソリューションをご利用ください。
連絡HUACIJULI工学よくある質問(faq)
q1:窒化ケイ素セラミックスとは具体的には何ですか?
窒化ケイ素(Si₃N₄)は保税構造先進covalentlyに陶磁器である。今の形であれ人工形であれ流花酵母の連動微视的細長いβ-grainsを提供する骨折靭性が最も高く一枚岩セラミックで極端な硬度に合わせて、低密度ポリエチレン抵抗の破格的な熱ショック
Q2:どんな人Si₃他のどの陶磁器アルがよりもN₄₂O₃SiCか?
主な利点はダメージ寛容。アル₂O₃ながらの下SiCもろいから,費えるによる影响や快速温度の変化をSi₃N₄'s細長い粒構造が作成されます"クラックブリッジ"伝播から骨折を停止するメカニズム。これにより、sicの2倍の破壊靭性と優れた熱衝撃耐性が得られ、動的な高応力環境での信頼性が得られます。
Q3:何最も頻繁に使用される工業用途Si₃N₄?
主な使用はハイブリッドセラミックベアリング(電気自動車航空宇宙風力発電)AMB電力基板EVインバータにとって切削工具挿入している高速道路加工溶融金属中処理コンポーネント(熱電対管、るつぼ)、および半導体捏造装置(ウェーハキャリア、エッチングリング)。
Q4:は掛け替えのSi₃N₄高温のアプリケーションで?
はい。まず鉄鋼構造失う清廉を愛する200°C氏工具鋼柔らかく上記500°Cを行っており、高級Si₃N₄1200°c ~ 1400°cまでの室温での強度と硬度を維持します。さらに、60%軽量化され、電気的に絶縁され、酸化や腐食の影響を受けず、複数の故障モードを同時に解決します。
