Блог

Технический керамический контент, представляющий для вас ценность!

Раскрываем основные области применения нитрида кремния в современных отраслях промышленности!

Дата публикации: 2025-01-23 10:24:04

Нитрид кремния — прочный и долговечный керамический материал со многими уникальными характеристиками. Он имеет широкое применение во многих промышленных инструментах и оборудовании.

Наиболее эффективно нитрид кремния применяется в автомобильной промышленности, аэрокосмической технике, производстве подшипников, электронной промышленности, биомедицинском оборудовании, зубных имплантатах и т. д.

Выдающиеся физические и химические свойства сделали его лучшей заменой традиционным материалам в этих областях. Давайте углубимся и подробно рассмотрим использование нитрида кремния.

 


Что такое нитрид кремния?

Нитрид кремния — термодинамически стабильное, твёрдое, химически инертное, белого цвета, неметаллическое химическое соединение. Состоит из трёх атомов кремния и четырёх атомов азота. Формула нитрида кремния — Si3N4. Это один из важнейших промышленных нитридов.

Нитрид кремния производится путем химической реакции порошкообразного кремния, находящегося в атмосфере азота при температуре около 1400 градусов по Цельсию. Химическая реакция выглядит следующим образом:

3Si+ 2N2= Si3N4

Это соединение было впервые получено в 1857 году, а первый синтетический нитрид кремния был получен Девилем и Вёлером спустя два года после его появления в 1859 году.

В 1970-х годах его использовали в качестве конструкционной керамики, а в 1980-х годах — в двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах.

Свойства, обработка и синтез Si3N4 широко изучались в течение нескольких лет после этого. В результате коммерческое использование нитрида кремния значительно возросло в последние годы.

Существуют различные типы материалов на основе нитрида кремния, такие как:

  • RBSN (реакционно-связанный нитрид кремния),

  • HPSN (горячепрессованный нитрид кремния),

  • SRBSN (спеченный реакционно-связанный нитрид кремния),

  • SSN (спеченный нитрид кремния), PSSN (спеченный нитрид кремния под парциальным давлением)

  • и HIPSN (горячий изостатически прессованный нитрид кремния).

Основные свойства нитрида кремния: Керамика из нитрида кремния обладает удивительными свойствами, которые делают ее пригодной для различных передовых инженерных приложений. Изучение этих свойств поможет вам понять ее применение. Основные свойства нитрида кремния:

  • Низкая плотность

  • Высокая механическая прочность и ударная вязкость

  • Высокая стойкость к тепловому удару

  • Отличная термическая стабильность

  • Отличная износостойкость

  • Низкий коэффициент теплового расширения

  • Превосходная стойкость к тепловому удару

  • Хорошая стойкость к окислению

  • И вязкость разрушения.

Основные области применения нитрида кремния в современных отраслях промышленности:

Нитрид кремния является одним из наиболее используемых конструкционных керамических материалов для различного оборудования, приборов и деталей. Наиболее влиятельные применения нитрида кремния:

  1. Производство двигателей:  Нитрид кремния широко используется в производстве различных поршневых двигателей, двигателей с искровым зажиганием и деталей дизельных двигателей. Он также используется в автомобильной промышленности, где отказ не является серьезным.

Детали дизельного двигателя, изготовленные из нитрида кремния, — это свечи накаливания, камеры предварительного сгорания (или вихревые камеры) и турбокомпрессоры. Турбокомпрессор дизельного двигателя SiN4 имеет меньшую инерцию, что снижает задержку двигателя и выбросы выхлопных газов.

Детали двигателя с искровым зажиганием из нитрида кремния — это коромысловые накладки, турбокомпрессоры и клапаны управления выхлопными газами. Этот клапан управления выхлопными газами увеличивает ускорение, а коромысловая накладка снижает износ двигателя.

  1. Подшипниковая промышленность: Полностью уплотненный материал из нитрида кремния износостойкий, менее фрикционный, очень жесткий и стабильный при высоких температурах. Поэтому HPSN (горячепрессованный нитрид кремния) обычно используется в производстве подшипников. Эти плотные Si3N4 повышают эксплуатационные характеристики шариковых и роликовых подшипников без смазки.

Керамический подшипник не подвержен влиянию электрических полей, магнитных полей и коррозии. Эти подшипники имеют более длительный срок службы, более высокую коррозионную стойкость и лучшую скорость, чем обычные материалы, такие как стальные подшипники. Керамические подшипники используются в машинах и соединениях, где запрещены металлические подшипники.

Большинство подшипников из нитрида кремния представляют собой гибридные шарикоподшипники со стальными дорожками качения и керамическими шариками. Такие гибридные подшипники используются в вакуумных насосах, стоматологических бормашинах и шпинделях станков.

  1. Аэрокосмическая промышленность: Традиционные материалы, такие как композиты и металлы, уже давно используются в производстве самолетов. Однако они неустойчивы к экстремальным температурам, давлению и коррозии гиперзвуковых летательных аппаратов.

Поэтому передовая аэрокосмическая промышленность нуждается в более прочных, легких, высокопрочных, коррозионно-стойких, термостойких и стабильных материалах, таких как керамика.

Механическая прочность и надежность керамического нитрида кремния делают его пригодным для окон RF, шарикоподшипников и обтекателей. Для широкого использования материала в аэрокосмической отрасли требуются дополнительные исследования, разработки и кастомизация.

 

  1. Производство электронных приборов: Нитрид кремния обладает уникальными электрическими свойствами, что делает его популярным материалом для микроэлектронной промышленности в качестве химического барьера и изолятора. Он используется в интегральных схемах (ИС) и защитной упаковке высокочувствительных электронных устройств.

Нитрид кремния не вступает в химические реакции с ионами натрия и водой. Он выполняет функцию пассивного слоя и диффузионного барьера в микроэлектронных устройствах.

Керамический нитрид кремния также используется в качестве электрического изолятора в конденсаторах аналогового чипа. Он имеет применение в оптической обработке сигналов, биохимической и биомедицинской оптике, биофотонике, передаче данных и телекоммуникациях благодаря своей широкополосной природе.

  1. Сварочная промышленность: Нитрид кремния si3n4 заменяет обычную сталь в электросварке сопротивлением. Сварочные ролики из нитрида кремния пользуются популярностью в сварочной промышленности. Твердость, прочность и стойкость к тепловому удару сделали его необходимым материалом для этой отрасли.

Сварочные инструменты из нитрида кремния эффективны, долговечны и требуют меньшего ухода, чем другие металлические инструменты. Если вы хотите усовершенствовать свое сварочное оборудование, используйте продукцию Si3N4.

  1. Биомедицинская промышленность: Нитрид кремния обладает особыми свойствами, такими как биосовместимость, антибактериальные характеристики, химическая стерилизация, рентгенопрозрачность, легкость, износостойкость и коррозионная стойкость, а также механическая прочность. Эти свойства сделали его идеальным материалом для биомедицинского использования.

Биосовместимость гарантирует, что нитрид кремния не проявляет никаких побочных эффектов при внедрении в организм человека. Он обладает превосходной устойчивостью к образованию биопленки и росту бактерий, что предотвращает инфекции вокруг имплантатов.

Остеопроводимость нитрида кремния помогает формировать кость. Вот почему этот материал используется в стоматологических, ортопедических имплантатах и для лечения ран. Он также используется в устройствах для фиксации переломов.

Исключительная механическая прочность нитрида кремния позволяет выдерживать высокие напряжения и большие нагрузки в качестве замены позвоночника и суставов. Устойчивость к износу и коррозии обеспечивает долговечность имплантатов. Он также снижает возможность высвобождения ионов и мусора в организме.

Рентгенопрозрачность нитрида кремния позволяет улучшить послеоперационный мониторинг с помощью рентгена и КТ. Поскольку он не препятствует этим процессам визуализации, как металлические имплантаты.

В конце концов, элементы из нитрида кремния помогают медицинским работникам более эффективно выявлять и лечить потенциальные осложнения.

  1. Биосенсор: Применение нитрида кремния в биосенсорной технологии решило проблемы, связанные с чувствительностью, стабильностью и размерами оптических биосенсоров.

Он может дополнительно повысить эффективность диагностики in vivo и in vitro. Механические и электрические свойства нитрида кремния высшего качества сделали его превосходным материалом для биосенсорной промышленности.

  1. Применение в стоматологии: Различные важные свойства сделали Si3N4 идеальным материалом для использования в стоматологии.

Американское керамическое общество назвало нитрид кремния «убийственным керамическим материалом» за его антибактериальные свойства. Он может подавлять бактерии porphyromonas gingivalis, которые размножаются в полости рта. Эти бактерии являются причиной заболеваний десен.

Нитрид кремния может разрушить биологическую структуру бактерий и нанести им вред, разрушая молекулы, ДНК и белки клеток.

Зубные коронки, мосты и виниры, изготовленные из нитрида кремния, выглядят как настоящие зубы. Эти зубные элементы Si3N4 выдерживают многократный контакт с другими зубами и механическое напряжение.

Химическая стабильность зубных элементов из нитрида кремния препятствует их деградации в ротовой среде от слюны, кислот и других химикатов. Они не реагируют и не корродируют, как материалы, и обеспечивают долговечность.

  1. Возможные варианты использования в будущем: Существуют огромные шансы использования керамического нитрида кремния в различных отраслях промышленности. Наиболее вероятными областями являются передовые аэрокосмические приложения, ядерная энергетика, здравоохранение, биомедицина, мощная электроника, электромобили, возобновляемая энергия и 3D-печать.

Более обширные исследования и разработки материалов на основе нитрида кремния вскоре сделают такое использование возможным.


Часто задаваемые вопросы

Некоторые часто задаваемые вопросы помогут вам узнать больше о применении нитрида кремния. Наиболее распространенные вопросы по теме:

В1: Каково применение нитрида кремния в производстве КМОП?

Нитрид кремния используется в качестве диэлектрического слоя, окислительного барьера, пассивирующего слоя, слоя, препятствующего травлению, материала для стресс-инжиниринга, разделительного материала, твердой маски и т. д. в производстве КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник).

В2: Какова работа выхода нитрида кремния?

Работа выхода материала означает минимальную энергию, необходимую для перемещения электрона с поверхности материала. Работа выхода нитрида кремния не является фиксированной. Она меняется в зависимости от производственной среды и свойств материала.

Работа выхода нитрида кремния составляет от 4,2 эВ до 5,2 эВ.

В3: Каковы области применения нитрида?

Нитридные материалы широко используются благодаря своей химической стойкости, высокой твердости и термической стабильности. Некоторые из наиболее используемых нитридных материалов — это нитрид кремния, нитрид бора, нитрид лития, нитрид титана и нитрид галлия.

Эти нитриды используются в электронике, полупроводниках, абразивах, режущих инструментах, защитных покрытиях, светоизлучающих устройствах, аэрокосмической и автомобильной промышленности.

В4: Какова плотность нитрида кремния?

Плотность нитрида кремния составляет 3,17 г/см3 (грамм на кубический сантиметр). Она может варьироваться от 2,37 до 3,25 г/см3 для производственного процесса. Плотность Si3N4 является важным параметром для многих приложений, таких как ядерная физика.

Заключение: Итак, друзья, пришло время подвести итоги! Мы рассмотрели важные применения нитрида кремния в разных областях. Надеюсь, вам понравилась статья, и вы почерпнули знания, которые помогут вам в профессиональной деятельности.

Пожалуйста, оставайтесь с нами на связи, чтобы продолжить узнавать о важных керамических материалах, их свойствах и применении. Спасибо

 

Назад