يُعد النيتريد السيليكوني متميزًا حقًا في المواقف التي تتطلب تحمل إجهاد عالٍ، وذلك بسبب خصائصه الميكانيكية المثيرة للإعجاب. فعلى سبيل المثال، تبلغ متانة الكسر حوالي 6 إلى 8 ميجا باسكال جذر المتر، وهي قيمة تفوق بثلاث مرات تقريبًا ما نجده في السيراميك الألوميني وفقًا لموقع ScienceDirect للعام الماضي. فما الذي يجعل هذا المادّة بهذه الصلابة؟ السر يكمن في البنية البلورية للطور البيتا الموجودة داخليًا. فالحبيبات الطويلة تتداخل مع بعضها مثل قطع الأحجية، مما يجعل من الصعب انتشار الشقوق الصغيرة خلال المادة عند تعرضها لأحمال متكررة.
تصل قوة الانحناء للمادة إلى 1000 ميجا باسكال، مما يفوق الزركونيا (650 ميجا باسكال) وكربيد السيليكون (550 ميجا باسكال). وعلى عكس هذه البدائل، تحتفظ نيتريد السيليكون بنسبة 85٪ من قوتها عند درجة حرارة الغرفة عند 800°م، كما هو موضح في عمليات محاكاة الإجهاد الحراري.
يُعزى هذا المتانة الاستثنائية إلى ثلاثة عوامل رئيسية:
تُنتج تقنيات التلبيد المتقدمة مصفوفة ناعمة الحبيبات (1–3 ميكرومتر) مدعّمة ببلورات أكبر من الطور β. ويحسّن هذا الهيكل "المقوى ذاتياً" توزيع الأحمال، مما يمكن محامل النيتريد السيليكوني من تحمل إجهادات تماس هيرتزية أعلى بنسبة 20% مقارنة بنظيراتها الفولاذية في تطبيقات التوربينات.
تُظهر محامل النيتريد السيليكون مقاومة استثنائية لتعب التلامس المتداول (RCF)، حيث تحافظ على سلامتها تحت إجهادات دورية تتجاوز 4 جيجا باسكال. كشفت دراسة نُشرت في عام 2024 في Surface and Coatings Technology أن تركيب كيمياء الحدود الحبيبية للنيتريد السيليكون يقلل من بدء التشققات تحت السطح بنسبة 40٪ مقارنة بمحامل الفولاذ، حتى في بيئات التوربينات عالية التحميل. وينبع هذا السلوك من الروابط الذرية التساهمية التي تقوم بتبدد الطاقة بكفاءة أثناء دورات الإجهاد.
أظهرت اختبارات تعاونية مع شركاء من قطاعات الفضاء والصناعة زيادة بنسبة 60٪ في عمر خدمة المحامل باستخدام تصاميم هجينة من النيتريد السيليكون. وقد صمدت هذه المحامل أمام أكثر من 500,000 دورة تحميل في محاكاة محركات الطائرات النفاثة دون أي اهتراء قابل للقياس، متفوقة على نظيراتها المصنوعة من الفولاذ بنسبة 3 إلى 1. وأكدت البيانات الميدانية تقليل تكرار الصيانة، خاصةً تحت أحمال شعاعية متغيرة.
إن البنية المجهرية المتجانسة للنترات السليكون تقلل من نقاط تركيز الإجهاد، مما يؤدي إلى انخفاض بنسبة 75٪ في حالات التкроش مقارنةً بالسيراميك القائم على الزركونيا. ويتحول الفشل من الكسر المفاجئ إلى البلى التدريجي، ما يتيح الصيانة التنبؤية. وأظهرت اختبارات قياس خشونة السطح فقدانًا أقل بنسبة 85٪ من المادة بعد 1000 ساعة في ظروف كاشطة.
بصلادة فيكرز تبلغ نحو 15 جيجا باسكال—أي ما يقارب ضعف صلادة الفولاذ المقوى—يُظهر النترات السليكون مقاومة فعالة ضد البلى اللاصق والبلى الكاشط. وفي الاختبارات الجافة عند درجة حرارة 400°م، بقي معدل البلى أقل من 0.02 مم³/نم، ما يجعله مثاليًا للتشغيل الخالي من الزيت. ويوفر التوازن بين الصلابة والمرونة أداءً موثوقًا به في البيئات الملوثة التي تعاني فيها المحامل الفولاذية عادةً من التقرّح.
إن كثافة نيتريد السيليكون الأقل، والتي تبلغ حوالي 3.2 جرام لكل سنتيمتر مكعب، تقلل من قوى الطرد المركزي بنسبة تصل إلى 60 بالمئة مقارنةً بالفولاذ الذي تبلغ كثافته 7.8 جم/سم³. وهذا يعني أن المكونات يمكن أن تعمل بسلاسة حتى عند الدوران بأكثر من 1.5 مليون وحدة دي إن (وهي القطر مضروباً بعدد الدورات في الدقيقة). تظهر الفائدة بشكل واضح في أشياء مثل محاور توربينات الطائرات وتلك المحاور الصغيرة الحاسمة الموجودة في الأجهزة الطبية. فمحامل الفولاذ عادةً ما تفشل مبكرًا لأنها لا تستطيع تحمل كل هذا الإجهاد القصوري مع مرور الوقت. وتُظهر الدراسات التي أجراها علماء المواد أن هذه الانخفاضات في الإجهادات تمدد فترات الصيانة فعليًا بنسبة تتراوح بين 12 و18 بالمئة في الشواحن التربينية الصناعية. ومن المنطقي إذًا سبب انتقال العديد من الشركات المصنعة إلى مواد أخرى في يومنا هذا.
| المادة | الكثافة (g/cm3) | إجهاد الطرد المركزي عند 50 ألف دورة في الدقيقة | توليد الحرارة |
|---|---|---|---|
| نيتريد السيليكون | 3.2 | 220 ميجا باسكال | زيادة بمقدار 35°م |
| فولاذ | 7.8 | 580 ميغاباسكال | زيادة بمقدار 82°م |
يتيح نسبة الكثافة 3.4:1 تجميعات محامل أخف دون التأثير على سعة التحميل—وهو عامل حاسم في وحدات الدفع الهجينة للفورمولا 1، حيث تحقق الفرق تسارعًا أسرع بنسبة 11٪ من خلال تقليل الكتلة.
يمكن للمحامل النترات السيليكونية الدوران بسرعة تزيد بنسبة 25 إلى 40 بالمئة تقريبًا عن المحامل الفولاذية المكافئة لها في توربينات الغاز، وذلك بسبب قوى القصور الذاتي الأقل. كما يشهد مشغلو توربينات الرياح انخفاضًا في فقد الطاقة بنحو 6 إلى 9 بالمئة في المحاور الرئيسية أيضًا، استنادًا إلى الأرقام الصادرة عن الوكالة الدولية للطاقة المتجددة عام 2023. وقد لاحظ عالم التصنيع هذا التطور أيضًا. فقد وجدت شركات تُنتج أدوات دقيقة مثل تسوغامي وأوكوما أنه عند انتقالها إلى المحامل الخزفية في وحدات أعمدة الدوران الخاصة بها، انخفضت أوقات الدورة بنحو 15 بالمئة عبر مراكز التشغيل الآلي عالية السرعة. وهذه التحسينات بدأت تعيد تشكيل ما هو ممكن في التطبيقات الصناعية.
قيمة DN: مقياس قياسي في الصناعة حيث إن DN = قطر محمل (مم) × السرعة الدورانية (دورة في الدقيقة)
يُبقي النيتريد السيليكوني متانة عالية جدًا عند ارتفاع درجات الحرارة فوق 1000 درجة مئوية، وهو ما يفوق بكثير مقاومة الفولاذ العادي الذي يبدأ بالانحناء والتقوس عند حوالي 400 درجة فقط. ما الذي يجعل هذا المادّة بهذه القوة؟ تكمن الإجابة في الروابط الكيميائية القوية جدًا بين الذرات بالإضافة إلى البنية الداخلية المدمجة بإحكام. تتيح هذه الخصائص لها الأداء الموثوق حتى في البيئات شديدة الحرارة مثل أفران المصانع أو أجزاء محركات الطائرات النفاثة، حيث تفشل المواد الأخرى. وأظهرت دراسة نشرت العام الماضي في مجلة كلية الهندسة بجامعة عين شمس نتيجة مثيرة للاهتمام أيضًا. فقد حافظت هذه المواد السيراميكية على أكثر من 90٪ من قوتها الأصلية في مقاومة الانحناء، بعد أن بقيت لمدة 500 ساعة متواصلة عند درجة حرارة مرتفعة تبلغ 1000 درجة مئوية. إن هذا النوع من المتانة يثبت قدرتها على تحمل إجهاد الحرارة الشديد دون التدهور مع مرور الوقت.
تجعل هذه الخصائص الحرارية نيتريد السيليكون ضروريًا لمكونات محركات الطائرات النفاثة التي تعمل باستمرار عند درجات حرارة تزيد عن 800°م. في التشغيل عالي السرعة، يقلل هذا المعدن انحراف العمود الناتج عن الحرارة بنسبة 40–60% مقارنةً بالصلب، مما يدعم التحملات الأضيق في عمليات تشغيل المعادن الدقيقة.
باعتباره مادة غير معدنية، يقاوم نيتريد السيليكون التآكل الغلفاني في مياه البحر والبيئات الحمضية والقلوية. وهو يعمل بشكل موثوق في المضخات الكيميائية والمعدات البحرية دون الحاجة للتشحيم، مما يقلل تكاليف الصيانة بنسبة تصل إلى 70% في توربينات الرياح العاملة في المياه العميقة وأنظمة التحلية.
يتماشى معامل التمدد الحراري لنيتريد السيليكون (3.2 × 10⁶/°م) بشكل وثيق مع الفولاذ المقاوم للصدأ (17 × 10⁶/°م)، مما يقلل من الإجهاد عند واجهة الاتصال أثناء التغيرات السريعة في درجة الحرارة. ويمنع هذا التوافق الترخي في شواحن التربينو المستخدمة في السيارات والتي تتعرض لتغيرات حرارية متكررة.
عندما يتعلق الأمر بعلم المواد، فإن نيتريد السيليكون يتفوق على الفولاذ العادي من حيث عدة جوانب مهمة ويُصلح العديد من المشكلات التي كانت تواجهها السيراميك التقليدية. كما أن هذه المادة أخف بكثير - حوالي 3.2 غرام لكل سنتيمتر مكعب مقارنةً بـ 7.8 غرام للفولاذ. مما يجعل المحامل الخزفية مناسبة بدرجة كبيرة للتعامل مع الآلات عالية السرعة، حيث تقلل القوى الطرد المركزي المزعجة بنسبة تقارب الثلثين. وما هو أفضل من ذلك؟ إن هذه المكونات الخزفية تستمر في العمل بشكل جيد حتى درجات حرارة قريبة من 1000 درجة مئوية، وهي درجة تفوق بكثير ما يستطيع الفولاذ تحمله قبل أن يبدأ بالفشل عند حوالي 300 درجة. وعند الحديث عن مقاومتها لتكون الشقوق، فإن نيتريد السيليكون الحديث ينافس فعليًا بعض سبائك الفولاذ عالية الجودة من حيث المقاومة. ووفقًا لأبحاث حديثة نشرها خبراء في علم الاحتكاك العام الماضي، فإن الآلات التي تستخدم هذه السيراميك المتقدمة تدوم تقريبًا ثلاثة أضعاف المدة خلال دورات التشغيل المستمر.
على الرغم من أن محامل النتريد السيليكوني تتطلب تكلفة أولية أعلى بنسبة 30–50٪، فإن عمرها الأطول بثلاث إلى خمس مرات في الظروف القاسية يؤدي إلى انخفاض نفقات الصيانة طوال العمر الافتراضي بنسبة 40٪. وجد تحليل تصنيعي لعام 2024 أن منشآت أشباه الموصلات قلّصت وقت توقف الاستبدال السنوي للمحامل بمقدار 120 ساعة بعد التحول إلى تصاميم السيراميك الهجينة، مما حقق عائد الاستثمار الكامل خلال 18 شهرًا.
تشمل المجالات الجديدة ضواغط خلايا الوقود الهيدروجينية وعجلات التفاعل في الأقمار الصناعية، حيث تكون العزل الكهربائي والتوافق مع الفراغ أمرين حيويين. وتُشير توقعات هندسة الدقة الحديثة إلى نمو سنوي بنسبة 25٪ في هذه الأسواق المتخصصة حتى عام 2030.
تقوم شركات تصنيع المركبات الكهربائية بإدخال محامل نيتريد السيليكون في محاور المحركات الكهربائية ذات الجهد 800 فولت، مستفيدة من طبيعتها غير المغناطيسية لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي. وتشير شركات إنتاج توربينات الرياح إلى تحقيق مكاسب في الكفاءة بنسبة 12٪ في المولدات المباشرة الدفع باستخدام محامل خزفية خالية من التزييت ومقاومة للتآكل الناتج عن مياه البحر المالحة.
أصبح من الممكن الآن من خلال التلبيد المتقدم بالضغط الغازي تحقيق كثافة نظرية تبلغ 99.5٪ في المكونات المنتجة بمستوى الإنتاج، مما يقلل احتياجات ما بعد المعالجة بنسبة 35٪. هذه التطورات تعالج مشكلات الاتساق التاريخية وتدعم التصنيع القابل للتوسيع الذي كان محدودًا سابقًا على المحامل الفولاذية.
EN
