고성능 엔지니어링에서 질화규소가 강철을 대체하는 이유- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

질화규소(Si3N4)의 핵심 특성

실리콘 질화물 열적, 기계적, 전기적 특성의 독특한 조합을 특징으로 하는 고성능 기술 세라믹입니다. 열 응력 하에서 부서지기 쉬운 다른 많은 세라믹과 달리 Silicon Nitride는 매우 낮은 열팽창 계수와 높은 파괴 인성을 자랑합니다. 이로 인해 열충격에 매우 강해 균열 없이 급격한 온도 변화를 견딜 수 있습니다. 화학적으로 실리콘과 질소가 공유 결합 구조로 배열되어 있어 다이아몬드만큼 단단하면서도 고강도 강철 합금보다 훨씬 가벼운 소재가 됩니다.

물리적 및 열적 특성

재산	일반적인 값
밀도	3.2 - 3.5g/cm³
경도(비커스)	1400 - 1600HV
열전도율	20 - 30W/m·K
최대 작동 온도	최대 1200°C

제조 공정 및 재료 등급

질화규소의 성능은 분말을 합성하고 치밀화하는 데 사용되는 방법에 따라 크게 달라집니다. 재료는 녹지 않기 때문에 소결 과정을 거쳐야 합니다. RBSN(Reaction Bonded Silicon Nitride)은 실리콘 분말 컴팩트를 질화하여 생성되므로 치수 안정성이 뛰어나지만 다공성이 더 높습니다. 이와 대조적으로 GPSSN(가스 압력 소결 실리콘 질화물) 및 HPSN(열간 압착 실리콘 질화물)은 높은 압력과 온도를 사용하여 이론에 가까운 밀도를 달성하고 까다로운 항공우주 및 자동차 응용 분야에 가장 높은 기계적 강도를 제공합니다.

SSN(소결 실리콘 질화물): 고온에서 치밀화를 촉진하기 위해 첨가제를 사용합니다.
열간 등방압 프레스(HIP-SN): 최대 피로 저항을 위해 내부 미세 공극을 제거합니다.
RBSN(Reaction Bonded): 기계 가공 없이 엄격한 공차가 필요한 복잡한 형상에 가장 적합합니다.

산업 응용 및 엔지니어링 장점

자동차 및 항공우주 부문에서 Silicon Nitride는 고속 베어링 부품의 표준입니다. Si3N4로 제작된 세라믹 볼 베어링은 강철보다 40% 가볍고 마찰이 적으며 짧은 기간 동안 윤활 없이 작동할 수 있습니다. 이는 제트 엔진의 비상 시나리오에 매우 중요합니다. 또한 비자성 및 전기 절연 특성으로 인해 자기 공명 영상(MRI) 또는 전기 회로와의 간섭을 피해야 하는 반도체 제조 장비 및 의료용 임플란트에 사용하기에 이상적입니다.

극한 환경에서의 주요 이점

부식 저항성: 실온에서 대부분의 산 및 알칼리성 용액에 영향을 받지 않습니다.
내마모성: 텅스텐 카바이드에 비해 마모성 환경에서 수명이 뛰어납니다.
높은 강성: 약 310GPa의 영률로 탁월한 구조적 강성을 제공합니다.

실리콘 질화물 부품에 대한 설계 고려 사항

Silicon Nitride로 설계할 때 엔지니어는 재료의 연성이 부족한 점을 고려해야 합니다. 압축에는 엄청나게 강하지만 포인트 로딩과 장력에는 민감합니다. 세라믹 부품의 수명을 최대화하려면 날카로운 내부 모서리를 피하고 충분한 반경을 활용하여 응력을 분산시키는 것이 필수적입니다. 또한, 질화규소는 소결 후에 가공하기 어렵기 때문에 부품은 가능한 한 "망 모양"에 가깝게 설계하거나 다이아몬드 팁 공구를 사용하여 최종 공차를 달성해야 합니다. 적절한 통합에는 종종 열박음 또는 특수 접착제를 사용하여 세라믹을 금속 하우징에 접착하는 작업이 포함됩니다.