Silisium nitrid, yüksək gərginlik şəraitində işlədikdə, özünəməxsus mexaniki xüsusiyyətlərinə görə xüsusilə fərqlənir. Məsələn, ScienceDirect-in keçən ilki məlumatına görə, alümina keramikalarında gördüyümüz səviyyədən təxminən üç dəfə yaxşı olan, 6-dan 8 MPa kök m-ə qədər olan çatlamaya davamlılığı nəzərdən keçirək. Bu materialı bu qədər möhkəm edən nədir? Əslində, hər şey onun daxili beta fazalı kristal quruluşuna bağlıdır. Uzun dənələr əsasən bir-birinə puzl kimi birləşir və materialın üzərinə təkrarlanan yüklər düşdükdə kiçik çatların yayılmasını çox daha çətinləşdirir.
Materialın eniənəmə müqaviməti 1000 MPa-ya çatır ki, bu da zirkoniyaya (650 MPa) və silisium karbidiyə (550 MPa) nisbətən daha yüksəkdir. Bu alternativlərdən fərqli olaraq, silisium nitrid istilik gərginliyi simulyasiyaları ilə sübut edildiyi kimi 800°C-də otaq temperaturundakı möhkəmliyinin 85%-ni saxlayır.
Bu istisnai möhkəmlik üçəsas amil tərəfindən təmin olunur:
İrəli sinterləşdirmə texnikası böyük β-faz kristalları ilə gücləndirilmiş ince dənəli matris (1–3 µm) yaradır. Bu "öz-özünü gücləndirən" struktur yüklərin paylanmasını yaxşılaşdırır və silikon nitriddən hazırlanan podşipliklərin turbin tətbiqlərində polad analoqlarına nisbətən 20% yüksək Hertsiyan kontakt gərginliyini dözünclü olması imkanını verir.
Silisium nitrid yataqlar dövri yüklərin 4 GPa-dan çox olduğu hallarda belə bütövlüyünü saxlayaraq dəyiriciliyə qarşı müqavimətə (RCF) qarşı fövqəladə müqavimət göstərir. 2024-cü ildə Səth və Pokrıtka Texnologiyaları dərc edilmiş tədqiqat göstərir ki, silisium nitridin dənə sərhədi kimyası yüksək yüklü turbin mühitlərində belə polad yataqlara nisbətən alt səth çatlarının meydana gəlməsini 40% azaldır. Bu davranış, yüklənmə dövrləri zamanı enerjini səmərəli şəkildə yayılan kovalent atom rabitələrindən qaynaqlanır.
Hava kosmik və sənaye tərəfdaşları ilə aparılan birgə sınaqlar silisium nitridin hibrid konstruksiyalarında yatağın işləmə müddətinin 60% artırıldığını göstərdi. Bu yataqlar reaktiv mühərrik simulyasiyalarında ölçülməyən aşınma ilə 500 mindən çox yük dövrünü dayandırdı və polad analoqlarından üç dəfə üstün oldu. Sahədə toplanan məlumatlar xüsusilə dəyişkən radial yüklər altında texniki xidmətin tezliyinin azaldığını təsdiqlədi.
Silisium nitridin bircins mikrostrukturu gərginlik konsentrasiyası nöqtələrini minimuma endirir və zirkoniya əsaslı keramiklərlə müqayisədə pulcuqlaşma xətalarının 75% azalmasına səbəb olur. Xəta birdən-birə qırılmadan tədricən aşınmaya keçir ki, bu da proqnozlaşdırıcı texniki xidməti mümkün edir. Səth profilometriya testləri aşındırıcı şəraitdə 1000 saatdan sonra material itkisinin 85% az olduğunu göstərdi.
Təxminən 15 GPa olan Vikers sərtliyi ilə — şaxtalı poladın sərtliyindən demək olar ki, iki dəfə çox — silisium nitrid adeziv və aşındırıcı aşınmaya effektiv müqavimət göstərir. Quru işləmə şəraitində 400°C temperaturda aşınma sürəti 0,02 mm³/Nm-dən aşağı qaldı ki, bu da onu yağsız işləmə üçün ideal edir. Sərtlik və möhkəmlik arasındakı balans çirklənmiş mühitdə poladlaşdırılmış yastıqların adətən pittingə uğramasına səbəb olan şəraitdə etibarlı performans təmin edir.
Silisium nitridin təxminən 3,2 qram/santimetr³ olan aşağı sıxlığı, 7,8 q/sm³ çəki ilə müqayisədə dəmirə nisbətən mərkəzdənqaçma qüvvəsini 60 faizə qədər azaldır. Bu o deməkdir ki, komponentlər hətta 1,5 milyondan çox DN vahidində (diametr dəqiqədəki dövrlərin sayı ilə vurulduqda) fırlanarkən belə hamar işləyə bilir. Bu üstünlük xüsusilə təyyarə turbin şaftlarında və tibbi cihazlarda rast gəlinən bu qədər kiçik, lakin vacib olan milişlərdə aydın şəkildə özünü göstərir. Dəmir yataqlar inertial gərginliyi uzun müddət dözə bilmədikləri üçün tez zəifləyir. Materialşünaslar tərəfindən aparılan tədqiqatlar göstərir ki, bu gərginliklərin azalması sənaye turboşarjörər üçün təmir intervallarını 12 ilə 18 faiz arasında uzadır. Bu günkü günlərdə bir çox istehsalçıların material dəyişdirməsinin səbəbi budur.
| Material | Yoğunluq (g/cm³) | 50 min dəq.-də Mərkəzdənqaçma Gərginliyi | İstilikhasilat |
|---|---|---|---|
| Silisium nitrid | 3.2 | 220 MPa | 35°C Artım |
| Polad | 7.8 | 580 MPa | 82°C Artım |
3,4:1 sıxlıq nisbəti yükləmə tutumunu ödünç vermədən daha yüngül laqəm qurğularına imkan verir və bu, komandalar kütlənin azaldılması sayəsində 11% daha sürətli sürətlənmə əldə etdiyi Formula 1 hibrid mühərrik ötürücü sistemləri üçün qətiyyət verici amildir.
Silisium nitrid laqəmləri inertsiya qüvvələrinin daha aşağı olması səbəbindən qaz turbinlərində polad analoqlarından təxminən 25-40 faiz daha sürətli fırlana bilir. Beynəlxalq Bərpa Olunan Enerji Agentliyinin 2023-cü ildən olan rəqəmlərinə əsasən, külək turbinlərinin operatorları baş şaftlarda təxminən 6-9 faiz daha az enerji itkisi müşahidə edirlər. İstehsalat sahəsi də bunun fərqinə varıb. Tsugami və Okuma kimi dəqiq alət hazırlayan şirkətlər, şpindellərində keramik laqəmlərə keçdikdə, yüksək sürətli CNC emal mərkəzlərində dövrlərin təxminən 15 faiz azaldığını gördülər. Bu yaxşılaşmalar sənaye tətbiqlərində mümkünün yenidən formalaşdırılmasına başlayır.
DN dəyəri: DN = rulman boşluğu (mm) × fırlanma sürəti (rpm) olan sənaye standart metrik
Silisium nitril adi tənliyə görə 1000 dərəcə Selsidən yuxarı temperaturlarda çox yaxşı davamlılıq göstərir, bu isə təxminən yalnız 400 dərəcədə əyilməyə və deformasiyaya başlayan adi poladdan xeyli daha yaxşıdır. Bu materialı bu qədər möhkəm edən nədir? Cavab, atomlar arasındakı son dərəcə möhkəm kimyəvi rabitələrdə və sıx bükülmüş daxili strukturda gizlidir. Bu xüsusiyyətlər digər materialların baş vermədiyi yüksək temperaturlu mühitlərdə — məsələn, zavod peçləri və ya reaktiv mühərrik hissələrində belə — onun etibarlı şəkildə işləməsinə imkan verir. Keçən il Ain Shams Mühəndislik Jurnalında dərc olunmuş tədqiqat da maraqlı bir faktı ortaya çıxardı: bu keramik materiallar 1000 dərəcə Selsi temperaturda ardıcıl 500 saat qaldıqdan sonra hələ də əvvəlki əyilmə möhkəmliyinin 90%-dən çoxunu saxlaya bilmişdi. Belə dayanıqlılıq onların zamanla parçalanmadan ciddi istilik gərginliyini necə maneəsiz şəkildə dözə biləcəyini sübut edir.
Bu istilik xassələri silisium nitridi 800°C-dən yuxarı temperaturlarda davamlı işləyən reaktiv mühərrik komponentləri üçün vacib edir. Yüksək sürətli emalda bu material poladla müqayisədə istiliyə görə meydana gələn şaft deformasiyasını 40–60% azaldır və dəqiq metal emalında daha sıx допусklara imkan verir.
Metal olmayan material kimi silisium nitrid duzlu suda, turşu və qələvi mühitlərdə qalvanik korroziyaya qarşı davamlıdır. Lubrikasiyaya ehtiyac olmadan kimyəvi nasoslar və dəniz avadanlıqlarında etibarlı şəkildə işləyir və offshore rüzgar türbinlərində və duzdan təmizləmə sistemlərində texniki xidmətin xərclərini 70%-ə qədər azaldır.
Silisium nitridin istilik genişlənmə əmsalı (3,2 × 10⁶/°C) paslanmayan poladınki ilə (17 × 10⁶/°C) yaxın olduğundan, temperaturun tez dəyişməsi zamanı interfeys gərginliyini minimuma endirir. Bu uyğunluq avtomobil turboşarjörünün tez-tez termal sikluslara məruz qalması halında lövülənmənin qarşısını alır.
Materiallar elmi sahəsində silisium nitrid adi poladdan bir neçə vacib cəhətdən üstün olur və ənənəvi keramikanın çoxsaylı problemlərini həll edir. Bu material həm də daha yüngüldür – kub santimetrinə təxminən 3,2 qram, poladın 7,8 qramına qarşı. Bu da keramiklaşdırılmış yataqları mərkəzdənqaçma qüvvələrini təxminən üçdə iki qədər azaltdığı üçün yüksək sürətli maşınlaşdırmada istifadə etmək üçün ideal edir. Daha da yaxşı nə var? Bu keramik komponentlər təxminən 1000 dərəcə Selsiyə yaxın temperaturlarda belə problem olmadan işləyə bilir. Bu göstərici isə poladın təxminən 300 dərəcədə xarab olmaya başladığı səviyyənin xeyli üstündədir. Çatlamaya qarşı möhkəmlik baxımından isə müasir silisium nitrid bəzi yüksək keyfiyyətli polad ərintiləri ilə eyni səviyyədə dayanıqlılığa malikdir. Keçən il triboilogiya sahəsi üzrə aparılan son araşdırmalara görə, bu inkişaf etmiş keramikadan istifadə edən maşınların sabit iş rejimində ömrü təxminən üç dəfə artır.
Silisium nitridli laqerlər ilkin olaraq 30-50% daha bahalı olsa da, onların çətin şəraitdə ömrü 3-5 dəfə uzundur və bu da ömür boyu təmir xərclərinin 40% azalmasına səbəb olur. 2024-cü ilin istehsalat analizi, yarımkeçirici müəssisələrin hibrid keramik konstruksiyalara keçdikdən sonra illik laqer əvəzetmə ilə bağlı dayanma müddətinin 120 saat azaldığını və investisiyanın tam qaytarılmasının 18 ay ərzində həyata keçdiyini göstərir.
Yeni sərhədlərə hidrogen yanacaq elementli kompressorlar və peykin reaksiya təkərləri daxildir, burada elektrik izolyasiyası və vakuumla uyğunluq vacibdir. Son dövrdəki dəqiq mühəndislik proqnozları 2030-cu ilə qədər bu niş bazarlarda illik 25% artım gözlənilir.
EV istehsalçıları, elektromaqnit girişini minimuma endirmək üçün maqnit olmayan təbiətlərindən istifadə edərək 800V traksiya mühərriki millərinə silisium nitrid yastıqları daxil edirlər. Tulluq generatorlarında duzlu su korroziyasına davamlı yağlama sərbəst keramik yastıqların istifadəsi ilə 12% səmərəlilik artımının qeydə alındığını bildirirlər.
İrəli gəlmiş qaz təzyiqi sintezi indi istehsal səviyyəli komponentlərdə nəzəri sıxlığın 99,5%-inə çatmağa imkan verir və sonrakı emal ehtiyacını 35% azaldır. Bu irəliləyişlər tarixi ardıcillik problemlərini həll edir və əvvəllər yalnız polad yastıqlara məhdudlaşdırılmış miqyaslı istehsalı dəstəkləyir.
EN
