Zalety i wady ceramiki azotku krzemu
Ceramika azotku krzemu to zaawansowany materiał ceramiczny składający się głównie z azotku krzemu (Si3N4). Materiał ten charakteryzuje się unikalnymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi, co czyni go niezwykle wszechstronnym i szeroko stosowanym w
różne branże.
Zalety ceramiki azotku krzemu (Si3N4)
1. Odporność na wysoką temperaturę
Ceramika azotku krzemu (Si3N4) ma doskonałą odporność na wysokie temperatury. Rozkłada się w temperaturze około 1870°C pod normalnym ciśnieniem i wytrzymuje utlenianie do 1400°C, przy czym praktyczne temperatury użytkowania sięgają 1200°C (powyżej których jej wytrzymałość mechaniczna może się zmniejszyć). Dzięki temu idealnie nadaje się do środowisk o wysokiej temperaturze, takich jak przemysł lotniczy, silniki samochodowe i inne wymagające zastosowania.
2. Wysoka twardość i wytrzymałość
Ceramika azotku krzemu wykazuje twardość ustępującą jedynie diamentowi, sześciennemu azotkowi boru i węglikowi krzemu, znacznie przewyższając inne materiały ceramiczne. Jej wytrzymałość na zginanie w temperaturze pokojowej może przekraczać 720 MPa, porównywalnie do stali stopowych, a jej wytrzymałość pozostaje stabilna do 1200°C. Dzięki temu ceramika Si3N4 jest szeroko stosowana w ultracienkich zastosowaniach odpornych na zużycie i narzędziach skrawających obrabiarek.
3. Stabilność termiczna
Dzięki niskiemu współczynnikowi rozszerzalności cieplnej i wysokiej przewodności cieplnej ceramika azotku krzemu oferuje doskonałą odporność na szok termiczny. Może wytrzymać szok termiczny od temperatury pokojowej do 1000°C bez pękania, co czyni ją odpowiednią do stosowania w świecach żarowych silników Diesla i elektrycznych elementach grzewczych.
4. Odporność na korozję
Ceramika Si3N4 jest chemicznie stabilna i odporna na korozję. Nie reaguje z większością kwasów nieorganicznych, z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego. Może wytrzymać roztwory alkaliczne o stężeniu 30% lub niższym i jest odporna na wiele substancji organicznych. Jej odporność na stopione metale, zwłaszcza aluminium, sprawia, że jest szeroko stosowana w przemyśle odlewniczym aluminium do takich elementów jak rury wznośne Si3N4, rury odgazowujące i wirniki.
5. Niska gęstość
Ceramika azotku krzemu ma gęstość około 40% gęstości stali łożyskowej, co czyni ją korzystną do lekkich zastosowań. Przyczynia się to do zmniejszenia zużycia i zwiększenia wydajności operacyjnej.
6. Właściwości samosmarujące
W warunkach niskiego poziomu oleju lub tarcia suchego ceramika azotku krzemu wykazuje wyjątkową wydajność w redukcji tarcia i zużycia. Dzięki temu idealnie nadaje się do zastosowań w trudnych warunkach smarowania, szczególnie w kulkach łożyskowych i łożyskach wykonanych z Si3N4, które znalazły szerokie zastosowanie w ekstremalnych warunkach.
Wady ceramiki azotku krzemu (Si3N4)
1. Kruchość
Mimo że ceramika azotku krzemu ma lepszą wytrzymałość na pękanie niż wiele innych materiałów ceramicznych, jest nadal krucha. Ta kruchość sprawia, że jest podatna na pękanie lub rozbijanie pod wpływem uderzeń lub wibracji, co ogranicza jej zastosowanie w zastosowaniach wymagających wysokiej wytrzymałości.
2. Trudne do obróbki maszynowej
Ze względu na wysoką twardość i odporność na zużycie azotku krzemu, a także jego kruchość, procesy obróbki, takie jak cięcie i wiercenie, są trudne po uformowaniu materiału w ceramikę. To znacznie zwiększa koszty produkcji.
3. Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej
Podczas gdy niska rozszerzalność cieplna azotku krzemu przyczynia się do jego stabilności wymiarowej i odporności na szok termiczny, może prowadzić do naprężeń międzyfazowych w połączeniu z materiałami o wyższym współczynniku rozszerzalności cieplnej, takimi jak metale. Może to mieć wpływ na ogólną niezawodność komponentów.
4. Słaba przewodność elektryczna
Ceramika azotku krzemu jest doskonałym izolatorem elektrycznym, co jest korzystne w zastosowaniach izolacji elektrycznej. Jednak w scenariuszach, w których wymagana jest przewodność elektryczna, ta właściwość staje się ograniczeniem.
