Cerâmicas avançadas referem-se a materiais cerâmicos com propriedades mecânicas, físicas ou químicas especiais. As matérias-primas e a tecnologia de produção necessária são bastante diferentes das cerâmicas comuns.
De acordo com as características e aplicações, existem dois tipos de cerâmicas avançadas: cerâmicas estruturais e cerâmicas funcionais.
Cerâmicas estruturais referem-se a cerâmicas que podem ser usadas como materiais estruturais de engenharia e geralmente possuem alta resistência, alta dureza, alto módulo de elasticidade, resistência a altas temperaturas, resistência ao desgaste, resistência à corrosão, resistência à oxidação, resistência ao choque térmico e outras características.
Existem muitos tipos de cerâmicas estruturais com diferentes vantagens, desvantagens e aplicações. As cerâmicas de nitreto de silício são consideradas as cerâmicas estruturais com melhor desempenho abrangente devido ao seu desempenho equilibrado em muitos aspectos, e possuem uma ampla gama de aplicações.
Propriedades da Cerâmica de Nitreto de Silício
O nitreto de silício (Si3N4) pode ser dividido em compostos de ligação covalente, com [SiN4]4-tetraedro como unidade estrutural, o silício está no centro do tetraedro, as posições dos quatro vértices do tetraedro são ocupadas por átomos de nitrogênio e um átomo de nitrogênio são compartilhados por cada três tetraedros. Tal tetraedro se repete e se estende no espaço tridimensional, e finalmente forma uma estrutura de rede. Muitas propriedades do nitreto de silício estão associadas a esta estrutura tetraédrica.
Devido à forte ligação entre os átomos de nitrogênio, o nitreto de silício possui boas propriedades, como alta resistência, alta dureza e resistência a altas temperaturas:
-A dureza pode chegar a HRA91~93;
-Boa dureza a quente, pode suportar alta temperatura de 1300 ~ 1400 ℃;
- Reações químicas menores com elementos de carbono e metal levam a um menor coeficiente de atrito;
- Autolubrificante e portanto resistente ao desgaste;
- Forte capacidade anticorrosiva, exceto o ácido fluorídrico, não reage com outros ácidos inorgânicos, e também possui capacidade antioxidação em alta temperatura;
-Boa resistência ao choque térmico, não quebra mesmo quando é resfriado ao ar e depois aquecido rapidamente; - Pequena fluência em alta temperatura, sob a ação de alta temperatura e carga fixa, a deformação plástica lenta é muito pequena.
Além disso, as cerâmicas de nitreto de silício também têm as vantagens de alta rigidez, alto módulo de elasticidade, alta condutividade térmica e excelentes propriedades elétricas, por isso têm valor de aplicação especial em ambientes extremos, como alta temperatura, alta velocidade e meios corrosivos fortes. , é considerado um dos materiais cerâmicos estruturais mais promissores para desenvolvimento e aplicação.
Aplicação de Cerâmica de Nitreto de Silício
Rolamentos cerâmicos de nitreto de silício
Os rolamentos cerâmicos são amplamente utilizados em máquinas-ferramentas de precisão, automóveis, motores aeronáuticos, instrumentos químicos, dispositivos supercondutores e outros campos.
Como material de rolamento, a característica básica é a vida em fadiga de rolamento. Para avaliar a aplicabilidade de vários rolamentos cerâmicos, é realizado um teste de vida útil com uma placa plana cerâmica. Os resultados do ranking de vida útil são: alumina < carboneto de silício < zircônia < nitreto Silício, entre essas quatro cerâmicas estruturais comuns de engenharia, o Si3N4 é o mais adequado para material de rolamento.
Aeroespacial
No campo aeroespacial, os requisitos de propriedades dos materiais são muito rigorosos, desafiando os limites dos materiais tradicionais.
O Si3N4 é uma boa escolha para aplicações aeroespaciais devido à sua resistência a altas temperaturas, boa tenacidade à fratura, alta dureza, alta rigidez dielétrica, excelente resistência ao choque térmico e propriedades tribológicas, garantindo excelente confiabilidade mecânica e resistência ao desgaste.
Cerâmicas de nitreto de silício podem ser usadas em propulsores de combustão de foguetes. Os propulsores da câmara de combustão de foguetes têm requisitos muito rigorosos de materiais, a combustão em alta temperatura pode obter maior propulsão, os materiais usados devem suportar altas temperaturas e serem leves.
Partes de alta temperatura do motor do automóvel
Os componentes cerâmicos Si3N4 usados em motores de automóveis incluem: rotores de turbinas turbocompressores, câmaras de combustão de pré-aquecimento, insertos de balancins, bielas de injetores, guias de válvulas, coroas de pistão de cerâmica, velas de incandescência, etc.
Substrato de dissipação de calor cerâmico de nitreto de silício
O substrato de dissipação de calor na indústria eletrônica precisa dissipar o calor dos componentes do circuito integrado de maneira oportuna e eficaz. Além disso, o substrato precisa ter propriedades mecânicas fortes o suficiente para lidar com condições muito adversas, como temperatura e pressão.
Embora a condutividade térmica das cerâmicas de nitreto de silício seja inferior à do nitreto de alumínio e do óxido de berílio, é significativamente maior do que a das cerâmicas estruturais gerais, que basicamente atendem aos requisitos de dissipação de calor do substrato; Além disso, a resistência e a tenacidade à fratura das cerâmicas de nitreto de silício são muito maiores do que outras As cerâmicas tipo substrato são materiais de substrato dissipadores de calor com excelente desempenho abrangente e foram praticamente aplicadas nos sistemas de controle eletrônico de trilhos de alta velocidade e elétricos veículos.
Aplicação em outros campos
Devido à sua excelente resistência a altas temperaturas e resistência à corrosão, a cerâmica de nitreto de silício pode ser usada em peças resistentes à corrosão química e resistentes ao desgaste, indústria de semicondutores, incluindo radomes de mísseis para indústria de defesa, materiais cerâmicos para uso biomédico e bombas principais de energia nuclear como anéis de vedação, anel cerâmico de nitreto de silício para forno de redução de polissilício, tampa de disco de isolamento térmico, mola helicoidal de cerâmica de nitreto de silício recém-desenvolvida, não só pode manter alta resistência a 1000 ℃ de temperatura, mas também tem forte resistência à corrosão, pode ser usado em válvulas especiais.
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