Керамические материалы на основе нитрида кремния являются новым типом керамического материала, который благодаря своим уникальным свойствам и функциям стал неотъемлемой частью современной передовой науки и технологии. Керамика на основе нитрида кремния относится к структурным керамическим материалам с наиболее выдающимися комплексными характеристиками. Она считается одним из наиболее многообещающих материалов для высокотемпературных конструкций в будущем.

• Сверхвысокая прочность: Керамика нитрида кремния обладает значительно более высокой прочностью по сравнению с обычной керамикой.

Высокая твердость: их твердость достигает HRA91-93.

Термическая стабильность: Они устойчивы к окислению при температурах до 1400°C.

Отличная устойчивость к термическому шоку: Эти керамические изделия могут выдерживать быстрые изменения температуры без трещин или повреждений.

Отличное сопротивление износу: керамика нитрида кремния обладает превосходной стойкостью к истиранию.

Самосмазывающие свойства: они обладают хорошей самосмазывающей способностью, что снижает необходимость во внешних смазочных материалах.

Выдающаяся изоляция: Эти керамические материалы обеспечивают отличную электрическую изоляцию.

Высокая теплопроводность: они эффективно передают тепло, что делает их подходящими для высокопроизводительных приложений.

По сравнению с другими керамическими материалами, керамические материалы на основе нитрида кремния обладают множеством превосходных свойств, таких как высокая теоретическая теплопроводность и отличная химическая стабильность. Эти характеристики делают их очень перспективным материалом для отвода тепла и упаковки в высокоскоростных схемах и устройствах высокой мощности. Они ожидаются для преодоления ограничений существующих субстратных материалов, таких как алюминий и нитрид алюминия, и имеют значительный рыночный потенциал в высокотехнологичных полупроводниковых устройствах, особенно в качестве субстратов для полупроводниковых компонентов высокой мощности.

Керамические подложки из нитрида кремния используются в различных высокопроизводительных приложениях благодаря своей отличной теплопроводности, высокой прочности и стабильности в экстремальных условиях. Эти подложки идеально подходят для использования в высокомощных электронных устройствах, обеспечивая эффективное отвод тепла и электрическую изоляцию. Они особенно ценны в полупроводниковой промышленности, где их можно использовать в качестве основных материалов для передовой мощной электроники, светодиодов и других высокопроизводительных компонентов. Подложки из нитрида кремния обеспечивают улучшенную надежность и долговечность по сравнению с традиционными материалами, такими как алюминия или нитрида алюминия, что делает их ключевым материалом для технологий следующего поколения.

Из-за отличных свойств керамики нитрида кремния, включая устойчивость к коррозии от нежелезных металлов, стабильность при высоких температурах, сверхтвердость, самосмазывание, устойчивость к термическому удару и криптозоне при высоких температурах, они идеально подходят для использования в различных металлургических приложениях. Сюда входит производство термопарных защитных трубок для измерения температуры плавленого алюминия, кольца для разделения железа, крышки расходомеров, цинковых расходомеров, электромагнитных насосов для жидкого алюминия и вакуумных кристаллизаторов для алюминия, а также другие специализированные компоненты.

Аэрокосмическая промышленность имеет очень строгие требования к характеристикам материалов. Кремнийнитрид, благодаря своей высокой прочности при высоких температурах, хорошей ударной прочности, высокой твердости, высокой диэлектрической прочности, отличной устойчивости к термическому удару и трибологическим свойствам, делает его отличным выбором для аэрокосмических применений. Он обеспечивает выдающуюся механическую надежность, износостойкость и долговечность.

Подшипники

Из-за ультра-твердости, износостойкости и самосмазывающих свойств керамики на основе нитрида кремния подшипники из этого материала значительно увеличивают срок службы по сравнению с традиционными сплавами подшипников и подшипниковой сталью. Более того, поскольку керамика на основе нитрида кремния имеет крайне низкий коэффициент теплового расширения, зазор в сборке подшипника может быть уменьшен, что делает его подходящим для ультрапрецизионных подшипников и подшипников для высоких температур. Его высокая коррозионная стойкость также делает его подходящим для специальных подшипников, работающих в условиях высокой коррозии.

Клапаны и трубопроводы

Традиционные клапаны и трубопроводы изготавливаются из материалов, таких как нержавеющая сталь, нейлон, пластик и чугун. Однако из-за недостаточной температурной стойкости, устойчивости к коррозии и износу они часто испытывают проблемы, такие как утечки, что серьезно влияет на эффективность транспортировки жидкости. Использование керамики нитрида кремния может значительно увеличить срок службы, сэкономить время на обслуживание и снизить затраты на производство.

Керамические режущие инструменты

Керамические материалы для резки обладают непревзойденной твердостью, высокой химической стабильностью и низкими коэффициентами трения, что предлагает огромные перспективы применения в области резки. Эти инструменты обеспечивают высокоскоростную резку, снижают частоту замены инструментов и минимизируют размерные ошибки, вызванные износом инструмента, что предлагает значительные преимущества в станках с ЧПУ и центрах обработки.

Керамические изделия из нитрида кремния, будучи ковалентными соединениями, опираются на ковалентные связи между атомами, что придает им высокую твердость и стойкость к износу. Твердость нитрида кремния занимает второе место после алмаза и кубического нитрида бора, а его низкий коэффициент трения и самосмазывающие свойства делают его идеальным для тонкого шлифования. По сравнению с традиционными шлифующими материалами, керамические шары из нитрида кремния имеют более высокую твердость и лучшую стойкость к износу, что делает их превосходными в отраслях, таких как производство ультратонкого порошка и пищевая промышленность.

Пористые керамические нитриды кремния имеют большую специфическую поверхность, высокую прочность, отличную термическую устойчивость и хорошую химическую стабильность, что делает их подходящими в качестве носителей катализаторов. Например, использование нитрида кремния в качестве материала для носителя в катализаторах для очистки выбросов автомобилей стало популярным. Сотовые структуры обычно изготавливаются из материалов, таких как кордиерит, алюминий и нитрид кремния. В настоящее время разработка высокоэффективных, экологически чистых пористых керамических носителей является ключевым направлением национальных исследовательских и развивающихся усилий.

Пористые нитридокремниевые материалы обладают высокой механической прочностью, что позволяет им выдерживать большие давлениевые различия. Они также обладают высокой устойчивостью к высоким температурам, отличной термической стабильностью, что делает их подходящими для высокотемпературной газовой фильтрации, с рабочими температурами более 1000°C. Кроме того, они обладают отличной теплопроводностью, малым коэффициентом термического расширения и высокой эффективностью фильтрации, что делает их идеальными для фильтрации токсичных газов и адсорбции опасных веществ в промышленных приложениях, играя таким образом значительную роль в снижении атмосферного загрязнения.

Керамические радомы для антенн в аэрокосмической связи защищают космические аппараты от суровых климатических условий и обеспечивают правильное функционирование систем, таких как связь, телеметрия, взрыватели и навигация. Пористые керамические нитриды кремния имеют низкую диэлектрическую постоянную, низкую диэлектрическую потерю, низкую плотность, отличное изоляционное свойство и хорошую прочность. Эти характеристики, вместе с их долгим сроком службы, делают нитрид кремния многообещающим материалом для радомов в аэрокосмической отрасли, с более низким поглощением радиоволн по сравнению с другими керамическими материалами.

Развитие керамических двигателей является одной из основных целей исследований высокотемпературных структурных керамических материалов и одним из наиболее важных их применений. Компоненты двигателя обычно работают в экстремальных условиях высоких температур и высоких скоростей, которые обычные металлы или полимеры не могут выдержать. Даже высокотемпературные сплавы могут работать только при температурах до 1050°C и имеют относительно низкую эффективность. Керамические двигатели из нитрида кремния, однако, могут работать при температурах от 1200°C до 1650°C, улучшая производительность двигателя, повышая эффективность сгорания и экономя энергию.

Керамические изделия из нитрида кремния известны своим отличным сопротивлением износу, коррозии и высокотемпературному окислению, что делает их подходящими для различных компонентов, таких как механические уплотнения, клапаны, контейнеры для расплавленного металла, валки, высокоскоростные подшипники, пресс-формы для металла, пресс-формы для экструзии и многое другое. Они широко применяются в отраслях машиностроения, стали, металлургии, химической промышленности и аэрокосмической промышленности. Доля рынка в этих секторах за рубежом примерно в десять раз больше, чем на внутреннем рынке, что ожидается достичь 10 миллиардов юаней.

Керамика нитрида кремния в первую очередь изучается, разрабатывается и применяется в качестве высокотемпературных структурных и инженерных материалов. Годовой внутренний спрос на нитридные специальные керамики превышает 270 000 тонн, в то время как внутреннее производство составляет всего около 100 000 тонн. В качестве азотного улучшителя в конструкционных сталях нитрид кремния может улучшить комплексные характеристики стали, с внутренним годовым рыночным спросом более 60 000 тонн. В производстве стали спрос на огнеупорные материалы превышает 100 000 тонн. Для глубокой обработки сырья, такого как подшипники из нитрида кремния, кожухи двигателя и режущие инструменты, годовой спрос составляет около 60 000 тонн.

В целом, внутренний рынок имеет значительный спрос. Обычно, на каждые 10 000 тонн произведенной стали расходуется 1 тонна твердых сплавов. Рост только твердых сплавов недостаточен, поэтому спрос на нитридные специальные керамики неизбежно возрастет. В настоящее время на внутреннем рынке можно производить только небольшое количество простых горячепрессованных керамических инструментов, и нельзя удовлетворить спрос на инструменты с центральными отверстиями и режущими канавками, не удовлетворяя потребности рынка.