질화규소 세라믹: 뛰어난 성능과 미래 응용 분야- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

소개: 첨단 세라믹의 빛나는 별

우수한 소재 성능에 대한 현대 산업의 요구가 증가하는 상황에서, 실리콘 질화물 세라믹 ( $Si_3N_4$ ), 뛰어난 작품으로 등장 고온 구조용 세라믹 . 비교할 수 없는 특성 조합으로 인해 수많은 고응력, 고정밀 엔지니어링 분야에서 중요한 역할을 합니다. 질화규소 세라믹의 성공은 주로 고유한 화학적 결합과 미세 구조에 기인합니다. 고강도, 우수한 내마모성, 그리고 우수한 열충격 저항 극한의 작동 조건에서.

핵심 특성 및 미세 구조

에 대한 화학식 실리콘 질화물 세라믹 이다 $Si_3N_4$ , 주로 공유 결합된 화합물입니다. 탁월한 성능은 주로 우주에 존재하는 독특한 육각형 결정 구조에서 비롯됩니다. $\alpha$ 단계 그리고 $\beta$ 단계 .

상 변환 및 인성: 소결 중에 변형이 자주 발생합니다. $\alpha$ 단계 to the thermodynamically more stable $\beta$ 단계. The ideal silicon nitride microstructure consists of 길쭉한 $\beta-Si_3N_4$ 종횡비가 높은 곡물 , 이는 인터록을 형성하기 위해 "수염 강화" 구조. 균열이 전파되면 이러한 입자는 다음과 같은 메커니즘을 통해 에너지를 소산합니다. 균열 처짐, 균열 브리징 및 입자 풀아웃 , 그로 인해 현저하게 전달 높은 파괴인성( $K_{IC} \approx 5-10 \text{ MPa} \cdot \sqrt{\text{m}}$ , 세라믹 소재 중에서는 독보적인 소재입니다.
고온 기계적 성질: 질화규소는 밀도가 낮습니다(대략 $3.2 \text{ g}/\text{cm}^3$ ), 그럼에도 불구하고 유난히 높은 수치를 유지하고 있습니다. 굽힘 강도 및 경도 높은 온도에서 동시에 우수한 성능을 나타냄 크리프 저항 그리고 기계적 피로 저항 .
열 안정성: 또 다른 주요 장점은 매우 낮음 열팽창 계수 및 좋아 열전도율. 이 조합은 세라믹을 부여합니다. 뛰어난 열충격 저항 , 빠르고 심한 온도 변화에도 고장 없이 견딜 수 있습니다.
화학적 불활성: 실리콘 질화물은 우수한 성능을 보여줍니다. 부식에 대한 저항 그리고 비습윤성 많은 산, 알칼리 및 용융 금속(알루미늄, 아연 등)에 대한 저항력이 있습니다.

주요 제조 공정

질화규소 세라믹의 완전한 치밀화를 달성하는 것은 특히 어렵습니다. $Si_3N_4$ 이다 highly covalent and has a relatively low decomposition temperature. The main industrial preparation methods include:

HP에스엔(열간 압착 실리콘 질화물): 치밀화는 고온(약 200℃)에서 소결 보조제를 첨가하여 달성됩니다. $1700-1800^\circ \text{C}$ ) 및 고압(약. $10-40 \text{ MPa}$ ). HP에스엔 재료 특징 다공성이 매우 낮고 기계적 성질이 우수함 , 고성능 절삭 공구에 자주 사용됩니다.
무압력 소결/가스압력 소결(SSN/GPSN): 소결은 고질소 분위기에서 수행됩니다. GPSN은 분해를 효과적으로 억제합니다. $Si_3N_4$ 고온에서 선호되는 방법입니다. 복잡한 모양의 부품 생산 , 성능과 비용의 균형을 유지합니다.
반응 결합 질화 규소(RBSN): 실리콘 분말을 출발 물질로 사용하여 질소 분위기에서 직접 반응하여 형성합니다. $Si_3N_4$ . 이 프로세스는 다음을 제공합니다. 치수 변화가 최소화되고 비용이 절감됩니다. , 그러나 최종 재료는 일반적으로 다공성이 더 높습니다.

일반적인 응용 분야

독특한 속성의 조합 실리콘 질화물 세라믹 다양한 까다로운 애플리케이션에 이상적인 선택입니다.

롤링 베어링(하이브리드 베어링): 질화규소 세라믹 볼(강철 내부 및 외부 링과 함께 사용)은 고속 공작 기계 스핀들, 풍력 터빈 발전기, 항공우주 엔진 및 전기 자동차(EV) 하이브리드 베어링에 널리 사용됩니다. 이는 그들의 저밀도 (원심부하 감소), 높은 경도, 자기 윤활성, 그리고 내식성 , 이는 작동 속도와 서비스 수명을 크게 향상시킵니다.
자동차 엔진 부품: 내연기관에서는 고강도 및 경량 이러한 특성은 터보차저 로터, 배기 가스 제어 밸브, 예열 플러그와 같은 구성 요소에 활용되어 엔진 효율을 높이고 배기가스 배출을 줄입니다.
절단 도구: 실리콘 질화물 인서트는 특히 다음에 적합합니다. 주철 및 니켈 기반 초합금의 고속 가공 고온 안정성과 내마모성은 기존 초경합금보다 훨씬 뛰어납니다.
열처리 및 용융 금속 처리: 그것을 악용 열충격 저항 및 내화학성 , 열전대 보호관, 용탕 이송관, 노즐 등에 사용됩니다.

결론 및 전망

실리콘 질화물 세라믹 첨단 구조용 세라믹의 최첨단을 대표합니다. 그 독특한 조합은 고강도, 고인성, 경량성, 뛰어난 열안정성 이는 중요한 엔지니어링 분야에서 없어서는 안 될 요소입니다. 차세대 제조 기술, 특히 입자 성장 최적화 및 미세 구조 제어의 지속적인 발전을 통해 질화규소의 비용 효율성과 성능은 계속해서 향상될 것입니다.

앞으로 질화규소는 전통적인 고성능 기계 및 열 응용 분야에서 그 역할을 유지할 뿐만 아니라 다음과 같은 신흥 부문에서도 더 넓은 길을 열어줄 것입니다. 신에너지(예: 연료전지), 고성능 전자 기판, 그리고 생체의학 임플란트 , 이는 미래 기술 발전의 중요한 초석이 됩니다.