Keramika krzemianowa jest nowym rodzajem materiału ceramicznego, który ze względu na swoje unikalne właściwości i funkcje stał się integralną częścią nowoczesnej zaawansowanej nauki i technologii. Jako nowy materiał ceramiczny, ceramika krzemianowa należy do ceramiki strukturalnej o najwybitniejszych właściwościach kompozytowych. Są one uważane za jedne z najbardziej obiecujących materiałów ceramicznych o wysokiej temperaturze strukturalnej do przyszłego rozwoju i zastosowań.

• Ultra-Wysoka Wytrzymałość: Ceramika z azotku krzemu wykazuje znacznie wyższą wytrzymałość w porównaniu z tradycyjną ceramiką.

Wysoka twardość: Ich twardość sięga HRA91-93.

Stabilność termiczna: Są odporne na utlenianie w temperaturach do 1400°C.

Doskonała odporność na szok termiczny: Te ceramiki mogą wytrzymać szybkie zmiany temperatury bez pękania ani uszkodzeń.

Doskonała odporność na zużycie: Ceramika z azotku krzemu zapewnia doskonałą wytrzymałość na ścieranie.

Własności samosmarujące: Wykazują dobrą samosmarowność, zmniejszając potrzebę stosowania środków smarnych zewnętrznych.

Doskonała izolacja: Te ceramiki zapewniają doskonałą izolację elektryczną.

Wysoka przewodność cieplna: Skutecznie przekazują ciepło, co sprawia, że są odpowiednie do zastosowań o wysokiej wydajności.

W porównaniu do innych materiałów ceramicznych, ceramika z azotku krzemu posiada liczne wyjątkowe właściwości, takie jak wysoka przewodność cieplna w teorii i doskonała stabilność chemiczna. Te cechy sprawiają, że są one bardzo obiecującym materiałem do odprowadzania ciepła i pakowania w obwodach o wysokiej prędkości oraz urządzeniach o dużej mocy. Oczekuje się, że będą one rozwiązywać ograniczenia istniejących materiałów podłoża, takich jak alumina i azotek glinu, wykazując znaczący potencjał rynkowy w urządzeniach półprzewodnikowych najwyższej klasy, zwłaszcza jako podłoża dla elementów półprzewodnikowych o dużej mocy.

Płytki ceramiczne z azotku krzemu są stosowane w różnorodnych aplikacjach wysokowydajnych ze względu na ich doskonałą przewodność cieplną, wysoką wytrzymałość i stabilność w ekstremalnych warunkach. Te płytki są idealne do użytku w urządzeniach elektronicznych o dużej mocy, zapewniając efektywne odprowadzanie ciepła i izolację elektryczną. Są one szczególnie cenne w przemyśle półprzewodnikowym, gdzie mogą być wykorzystywane jako materiały bazowe do zaawansowanych elektronik mocy, diod LED i innych komponentów wysokowydajnych. Płytki z azotku krzemu oferują poprawioną niezawodność i długowieczność w porównaniu do tradycyjnych materiałów, takich jak alumina czy azotek glinu, co czyni je kluczowym materiałem dla technologii następnej generacji.

Ze względu na doskonałe właściwości ceramiki azotku krzemu, w tym odporność na korozję ze strony metali nieżelaznych, stabilność w wysokich temperaturach, super twardość, odporność na zużycie, samosmarowanie, odporność na termiczne wstrząsy oraz odporność na pełzanie w wysokich temperaturach, są one idealne do stosowania w różnych zastosowaniach metalurgicznych. Obejmują one produkcję rur ochronnych termopary do pomiaru temperatury topionego aluminium, pierścieni separacyjnych żelaza, pokryw przepływomierzy, przepływomierzy cynku, elektromagnetycznych pomp ciekłego aluminium oraz tygl aluminiowych próżniowych, a także inne specjalistyczne komponenty.

Branża lotnicza ma bardzo rygorystyczne wymagania dotyczące wydajności materiałów. Azotek krzemu, ze względu na swoją wytrzymałość w wysokich temperaturach, dobrą odporność na pękanie, wysoką twardość, wysoką wytrzymałość dielektryczną, doskonałą odporność na szok termiczny oraz właściwości tribologiczne, sprawia, że jest doskonałym wyborem do zastosowań w lotnictwie. Zapewnia doskonałą niezawodność mechaniczną, odporność na zużycie oraz trwałość.

Łożyska

Ze względu na ultratwardość, odporność na zużycie i właściwości samosmarujące ceramiki azotku krzemu, łożyska wykonane z tego materiału znacząco zwiększają żywotność w porównaniu z tradycyjnymi stopami łożyskowymi i stalami łożyskowymi. Ponadto, ze względu na bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej ceramiki azotku krzemu, szczelina montażowa łożyska może być zmniejszona, co sprawia, że jest odpowiednia do łożysk ultra-precyzyjnych i łożysk wysokotemperaturowych. Jego silna odporność na korozję sprawia również, że nadaje się do specjalnych łożysk pracujących w silnie korozyjnych środowiskach.

Zawory i rurociągi

Tradycyjne zawory i rurociągi są wykonane z materiałów takich jak stal nierdzewna, nylon, tworzywa sztuczne i żeliwo. Jednakże, ze względu na niewystarczającą odporność na temperaturę, korozję i zużycie, często występują problemy, takie jak wycieki, które poważnie wpływają na efektywność transportu płynów. Wykorzystanie ceramiki z azotku krzemu może znacznie wydłużyć okres eksploatacji, zaoszczędzić czas konserwacji i obniżyć koszty produkcji.

Narzędzia do cięcia ceramiki

Materiały narzędzi tnących ceramicznych charakteryzują się niezrównaną twardością, wysoką stabilnością chemiczną i niskimi współczynnikami tarcia, co zapewnia ogromne perspektywy zastosowania w dziedzinie obróbki skrawaniem. Te narzędzia umożliwiają cięcie o dużej prędkości, zmniejszają częstotliwość wymiany narzędzi i minimalizują błędy wymiarowe spowodowane zużyciem narzędzi, oferując znaczne korzyści w maszynach CNC i centrach obróbczych.

Keramika krzemianowa, będąc związkami kowalencyjnymi, opiera się na wiązaniach kowalencyjnych między atomami, co nadaje im wysoką twardość i odporność na zużycie. Twardość krzemu azotu jest druga tylko po diamentach i azotku boru kubicznym, a jej niski współczynnik tarcia i właściwości samosmarujące sprawiają, że jest idealna do drobnych szlifowań. W porównaniu z tradycyjnymi środkami szlifującymi, kulki szlifierskie z ceramiki krzemu azotowego mają większą twardość i lepszą odporność na zużycie, co sprawia, że są one doskonałe w branżach takich jak przetwarzanie proszków ultrafeinowych i spożywczych.

Poryzowane ceramiki z azotkiem krzemu mają dużą powierzchnię właściwą, wysoką wytrzymałość, doskonałą odporność na wstrząsy termiczne i dobrą stabilność chemiczną, co sprawia, że są odpowiednie jako nośniki katalizatorów. Na przykład, stosowanie azotku krzemu jako materiału nośnego w katalizatorach do oczyszczania spalin samochodowych stało się popularne. Struktury plastra miodu są zazwyczaj wykonane z materiałów takich jak kordieryt, alumina i azotek krzemu. Obecnie rozwój wysokoefektywnych, przyjaznych dla środowiska porowatych nośników ceramicznych jest kluczowym obszarem badań i rozwoju na szczeblu krajowym.

Porouszne materiały z azotku krzemu mają wysoką wytrzymałość mechaniczną, co pozwala im wytrzymać duże różnice ciśnień. Są również bardzo odporne na wysokie temperatury, charakteryzują się doskonałą stabilnością termiczną, co sprawia, że są odpowiednie do filtracji gazów o wysokiej temperaturze, z temperaturami pracy przekraczającymi 1000°C. Dodatkowo posiadają doskonałą przewodność cieplną, mały współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz wysoką efektywność filtracji, co sprawia, że są idealne do filtrowania gazów toksycznych i adsorbowania substancji niebezpiecznych w zastosowaniach przemysłowych, odgrywając tym samym istotną rolę w redukcji zanieczyszczenia atmosferycznego.

Materiały komunikacyjne w dziedzinie lotnictwa (radomy antenowe) chronią pojazdy kosmiczne przed trudnymi warunkami środowiskowymi i zapewniają właściwe funkcjonowanie systemów, takich jak łączność, telemetria, detonatory i systemy kierowania. Porowate ceramiki z azotku krzemu mają niską stałą dielektryczną, niskie straty dielektryczne, niską gęstość, doskonałą izolację i dobrą wytrzymałość. Te cechy, wraz z ich długą żywotnością, sprawiają, że azotek krzemu jest obiecującym materiałem do radomów lotniczych, charakteryzującym się mniejszym pochłanianiem fal radarowych w porównaniu do innych materiałów ceramicznych.

Rozwój silników ceramicznych jest głównym celem badań nad ceramiką strukturalną o wysokiej temperaturze i jednym z najważniejszych zastosowań. Składniki silnika zazwyczaj pracują w skrajnych warunkach wysokich temperatur i prędkości, którym zwykłe metale lub polimery nie są w stanie sprostać. Nawet wysokotemperaturowe stopy mogą działać tylko w temperaturach do 1050°C i mają stosunkowo niską wydajność. Silikononitrydowe silniki ceramiczne mogą jednak działać w temperaturach od 1200°C do 1650°C, poprawiając wydajność silnika, zwiększając efektywność spalania i oszczędzając energię.

Keramika krzemianowa jest znana z doskonałej odporności na zużycie, korozję i wysoką odporność na utlenianie w wysokich temperaturach, co sprawia, że jest odpowiednia do różnych komponentów, takich jak uszczelki mechaniczne, zawory, pojemniki na ciekły metal, wałki, łożyska wysokoprędkościowe, matryce do rozciągania metali, matryce do wyciskania i wiele innych. Szeroko stosowana jest w branżach takich jak maszyny, stal, metalurgia, inżynieria chemiczna i lotnictwo. Udział w rynku tych sektorów za granicą jest około dziesięciokrotnie większy niż na rynku krajowym, który szacuje się na 10 miliardów juanów.

Ceramika krzemianowa jest głównie badana, rozwijana i stosowana jako materiały konstrukcyjne i inżynieryjne o wysokiej temperaturze. Roczne krajowe zapotrzebowanie na specjalne ceramiki azotkowe przekracza 270 000 ton, podczas gdy krajowa produkcja wynosi tylko około 100 000 ton. Jako wzmacniacz azotu w stalach konstrukcyjnych, azotek krzemu może poprawić wszechstronne właściwości stali, a krajowe roczne zapotrzebowanie rynkowe przekracza 60 000 ton. W produkcji stali zapotrzebowanie na materiały ogniotrwałe przekracza 100 000 ton. Dla głębokiej obróbki surowców takich jak łożyska krzemianowe, obudowy silników i narzędzia tnące, roczne zapotrzebowanie wynosi około 60 000 ton.

Ogólnie rzecz biorąc, popyt na rynku krajowym jest znaczący. Typowo, na każde wyprodukowane 10 000 ton stali zużywa się 1 tonę stopów twardych. Wzrost samych stopów twardych jest niewystarczający, dlatego popyt na specjalne ceramiki azotkowe nieuchronnie wzrośnie. Obecnie na rynku krajowym można produkować jedynie niewielką liczbę prostych narzędzi ceramicznych tłoczonych na gorąco, nie można zaspokoić zapotrzebowania na narzędzia z otworami centralnymi i rowkami tnącymi, co nie spełnia potrzeb rynku.