نیترید سیلیکون (Si₃ن₄) یک ماده سرامیکی ساختاری غیر اکسیدی است که معمولاً به رنگ سیاه یا خاکستری تیره است و اغلب جلا داده می شود تا ظاهری صاف و انعکاسی چشمگیر ایجاد کند. محبوبیت به دلیل مقاومت در برابر ضربه و حرارت بالا، کاربردهای معمولی آن شامل شکل دهی فلز، شرایط سایش صنعتی و جابجایی فلز مذاب است. [1].

خواص نیترید سیلیکون

برخی از نیتریدهای سیلیکون بسیار متخلخل هستند و به همین دلیل چگالی و مقاومت در برابر اکسیداسیون پایینی دارند. هنگامی که نیترید سیلیکون به درستی درمان شود، سختی خوبی در دماهای بسیار بالا، مقاومت در برابر خزش خوب، مقاومت در برابر سایش بالا، ضریب انبساط حرارتی پایین، مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر اکسیداسیون و افزایش مقاومت مکانیکی ارائه می‌کند. [2,3,4]:

نیترید سیلیکون (Si3N4)
ویژگی های مکانیکی		خواص حرارتی
مقاومت فشاری / خرد کردن	600 تا 2950 مگاپاسکال	حداکثر دما	1000 تا 1330 درجه سانتی گراد
مدول الاستیک	140 تا 310 گیگا پاسکال	حداکثر شوک حرارتی	290 تا 750 درجه سانتی گراد
استحکام خمشی	130 تا 810 مگاپاسکال	ظرفیت حرارتی ویژه	720 تا 800 J/kg-K
قدرت شکستگی	3.1 تا 6.2 MPa-m1/2	رسانایی گرمایی	12 تا 31 W/mK
نسبت پواسون	0.24 – 0.27	انبساط حرارتی	2.5 – 3.2 μm/mK
سایر خواص
تراکم	2.2 تا 3.4 g/cm3	ثابت دی الکتریک	8.0 – 10.0
قدرت دی الکتریک	18 کیلو ولت بر میلی متر

تولید نیترید سیلیکون

نیترید سیلیکون معمولاً با واکنش شیمیایی سیلیکون فلزی و نیتروژن گازی سنتز می شود. قطعات با دقت فشرده و با روش‌های توسعه‌یافته‌ای که به خواص خاصی منجر می‌شود و در نتیجه کاربردهای نهایی را مشخص می‌کنند، زینتر می‌شوند.

روش های تشکیل بسته به نوع نیترید سیلیکون مورد نیاز متفاوت است. هر کدام نقاط قوت خاصی را به مواد حاصل اضافه می کند.

نیترید سیلیکون با پیوند با واکنش (RBSN)

پردازش RBSN با تشکیل یک خمیر سیلیکونی یا فشرده شروع می شود که تحت یک فرآیند سخت شدن سطحی به نام نیتریدینگ در دمای حدود 1450 درجه سانتیگراد قرار می گیرد. RBSN از نظر خواص مکانیکی متخلخل تر (حدود 25٪ تخلخل) و در مقایسه با سایر انواع نیترید سیلیکون پایین تر است، اما نسبتا مقرون به صرفه است و در کاربردهایی مانند مبلمان کوره استفاده می شود. [1].

نیترید سیلیکون فشرده داغ (HPSN)

HPSN از ترکیبی از Si خوب ساخته شده است₃ن₄ پودر و شار منیزیم در قالب گرافیتی، تحت دما و فشار بالا (معمولاً تا 1800 درجه سانتیگراد و 40 مگاپاسکال). در مقایسه با RBSN بسیار متراکم است و خواص مکانیکی بسیار بهتری دارد [1].

نیترید سیلیکون پیوند خورده با واکنش متخلخل (SRBSN)

SRBSN نسخه ارتقا یافته RBSN است. برای کاهش تخلخل محصول نهایی، افزودنی‌های تف جوشی به مخلوط پودری اولیه اضافه می‌شوند، که پس از مرحله پیوند، قابلیت تف جوشی (در دمای بیش از 1800 درجه سانتی‌گراد و فشار اتمسفر) را به آن می‌دهد. [1,5].

نیترید سیلیکون متخلخل (SSN)

برای ساختن یک SSN، نیترید سیلیکون در حدود 1750 درجه سانتیگراد با ترکیبی از مواد افزودنی تف جوشی مانند اکسید منیزیم، اکسید ایتریم و اکسید آلومینیوم برای افزایش فرآیند تراکم شدن، تحت پخت بدون فشار قرار می گیرد. چگالی به 98٪ با محدوده مقاومت 600 – 700 MPa می رسد [1,5].

با این حال، انقباض تا 20٪ در طول فرآیند تراکم رخ می دهد. برای غلبه بر این مشکل، سازندهای کاملاً پخته شده مجدداً توسط یک ابزار دقیق الماسی ماشینکاری می شوند تا به تدریج مواد اضافی ساییده شود تا شکل و اندازه مورد نظر به دست آید. با این حال، از آنجایی که این اجزا ذاتاً سخت و سخت هستند، این فرآیند کار فشرده و پرهزینه می شود. [6].

کاربردهای نیترید سیلیکون

از آنجایی که نیترید سیلیکون قادر است در برابر شرایط سخت حرارتی، مکانیکی و سایش مقاومت کند، اجزای باکیفیت را برای استفاده در کاربردهای بسیار سخت تولید می کند.

صنعت خودرو

بزرگترین کاربرد نیترید سیلیکون در صنعت خودروسازی یافت می شود، به ویژه قطعات مختلف سایش و احتراق در موتورهای رفت و برگشتی که در آن تنش در دماهای بالا رایج است. در موتورهای دیزل، نیتریدهای سیلیکون در شمع‌ها (برای زمان راه‌اندازی سریع‌تر)، محفظه‌های پیش احتراق (برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای یا عمل به عنوان صدا خفه‌کننده)، و توربوشارژرها (برای کاهش تاخیر موتور) استفاده می‌شوند. نیترید سیلیکون همچنین در دنباله‌های بادامک، شیم‌های تاپت، شفت‌ها و محورهای دقیق استفاده می‌شود.

بلبرینگ

بلبرینگ های گلوله ای و غلتکی سرامیکی نیترید سیلیکون برای کاربردهای با دمای بالا نسبت به فولاد ترجیح داده می شوند. این باعث افزایش طول عمر بلبرینگ در سرعت های بالاتر می شود زیرا مقاومت در برابر خوردگی بهتری دارد. مدول الاستیسیته بالاتر آن در مقایسه با فولاد نشان می‌دهد که صلبیت بیشتری دارد، بنابراین حرکت صاف و لرزش کمتری با سطوح تماس ایجاد می‌کند. [7].

فلزکاری

نیترید سیلیکون همچنین در ابزارهای برش فلز برای چدن، فولاد سخت و آلیاژهای مبتنی بر نیکل به دلیل سختی، چقرمگی شکست و مقاومت در برابر شوک حرارتی استفاده می شود.

کاربردهای صنعتی

کاربرد دیگر کار با فلز مذاب است – که اغلب اجزای فلزی برای آن مناسب نیستند. جوش‌ها/موقعیت‌دهنده‌های جوش، نازل‌های اسپری، پوشش‌های دیواره سیلندر، روتور توربین، تیغه‌ها، لوله‌های موشک و موشک‌ها از نیترید سیلیکون برای استحکام، خواص الکتریکی و مقاومت در برابر ضربه استفاده می‌کنند. کاربردها در صنعت ریخته گری آلومینیوم نیز از مقاومت خوب نیترید سیلیکون در برابر خوردگی، مقاومت در برابر شوک حرارتی و هدایت حرارتی بهره می برند. اینها عبارتند از لوله های گرمایش، آستر پمپ، لوله های رایزر و غلاف های محافظ ترموکوپل [8].

[1] “Silicon Nitride Ceramics”، nd، از: https://www.syalons.com/resources/articles-and-guides/silicon-nitride-ceramics/

[2] D. Kopeliovich، nd، “Nitride Ceramics”، از: http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=nitride_ceramics

[3] نیترید سیلیکون (Si₃ن₄)»، nd، از: https://www.makeitfrom.com/material-properties/Silicon-Nitride-Si3N4

[4] “استنلس استیل AISI 316 در مقابل نیترید سیلیکون”، nd از: https://www.makeitfrom.com/compare/AISI-316-S31600-Stainless-Steel/Silicon-Nitride-Si3N4

[5] “نمودار خواص مواد”، nd، از: https://www.ceramicindustry.com/ext/resources/pdfs/2013-CCD-Material-Charts.pdf

[6] “سیلیکون نیترید”، nd، از: https://precision-ceramics.com/materials/silicon-nitride/

[7] ویجانتو، 2014، “کاربرد سرامیک های سیلیکون نیترید (Si3N4) در بلبرینگ ها”، MEDIA MESIN، 15، شماره 1، صص 17-25.

[8] J. Eichler، 2012، “کاربردهای صنعتی سرامیک های مبتنی بر Si”، مجله انجمن سرامیک کره، 49، شماره 6، صص 561-5