نیترید سیلیسیم واقعاً در شرایط تنش بالا برجسته میشود، زیرا دارای خواص مکانیکی بسیار قابل توجهی است. به عنوان مثال، استحکام شکست آن حدود ۶ تا ۸ مگاپاسکال روت متر است که طبق گزارش ScienceDirect سال گذشته، تقریباً سه برابر بهتر از چینی آلومینایی است. علت مقاومت بالای این ماده چیست؟ این موضوع به ساختار بلوری فاز بتای داخلی آن برمیگردد. دانههای بلند در واقع مانند قطعات پازل به هم قفل میشوند و باعث میشوند ترکهای ریز در معرض بارهای مکرر به راحتی در ماده گسترش نیابند.
استحکام خمشی این ماده به ۱,۰۰۰ مگاپاسکال میرسد که از زیرکونیا (۶۵۰ مگاپاسکال) و کاربید سیلیسیم (۵۵۰ مگاپاسکال) پیشی میگیرد. برخلاف این مواد جایگزین، نیترید سیلیسیم در دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد همچنان ۸۵٪ استحکام دمای محیط خود را حفظ میکند، همانطور که در شبیهسازیهای تنش حرارتی نشان داده شده است.
این استحکام استثنایی ناشی از سه عامل کلیدی است:
تکنیکهای پرسکاری پیشرفته، یک ماتریس با دانههای ریز (۱ تا ۳ میکرومتر) تقویتشده با بلورهای بزرگتر از فاز بتا ایجاد میکنند. این ساختار «خودتقویتشده» توزیع بار را بهبود میبخشد و به بلبرینگهای نیترید سیلیسیوم اجازه میدهد تا در کاربردهای توربین، تنش تماس هرتزی ۲۰٪ بالاتری نسبت به معادلهای فولادی تحمل کنند.
بلبرینگهای نیترید سیلیسیوم مقاومت برجستهای در برابر خستگی تماس غلتشی (RCF) از خود نشان میدهند و در تنشهای دورهای بیش از 4 گیگاپاسکال نیز یکپارچگی خود را حفظ میکنند. مطالعهای که در سال 2024 در فناوری سطح و پوششها منتشر شد، نشان داد که شیمی مرز دانههای نیترید سیلیسیوم در مقایسه با بلبرینگهای فولادی، آغاز ترک در زیر سطح را تا 40 درصد کاهش میدهد، حتی در محیطهای توربین با بار بالا. این رفتار ناشی از پیوندهای کووالانسی اتمی است که بهطور مؤثر انرژی را در طول چرخههای تنش پراکنده میکنند.
آزمایشهای مشترک با شرکتهای هوافضا و صنعتی نشان داد که استفاده از طراحیهای ترکیبی نیترید سیلیسیوم، عمر مفید بلبرینگ را تا ۶۰ درصد افزایش میدهد. این بلبرینگها در شبیهسازی موتور جت، تحمل بیش از ۵۰۰٬۰۰۰ چرخه بارگذاری را بدون سایش قابل اندازهگیری داشتند و عملکردی ۳ برابر بهتر نسبت به معادلهای فولادی خود از خود نشان دادند. دادههای میدانی کاهش فراوانی تعمیر و نگهداری را تأیید کردند، به ویژه در شرایط بارهای شعاعی متغیر.
ریزساختار همگن نیترید سیلیسیوم نقاط تمرکز تنش را به حداقل میرساند و منجر به کاهش ۷۵ درصدی خرابیهای ناشی از پوستهشدگی در مقایسه با سرامیکهای مبتنی بر زیرکونیا میشود. الگوی خرابی از شکست ناگهانی به سایش تدریجی تغییر میکند که امکان تعمیر و نگهداری پیشبینیپذیر را فراهم میآورد. آزمایشهای پروفیلومتری سطحی نشان دادند که پس از ۱۰۰۰ ساعت کار در شرایط ساینده، از دستدادن ماده ۸۵ درصد کمتری نسبت به سایر مواد رخ داده است.
با سختی ویکرز حدود 15 گیگاپاسکال که تقریباً دو برابر فولاد سختشده است، نیترید سیلیسیوم در مقابل سایش چسبنده و ساینده بهخوبی مقاومت میکند. در آزمایشهای بدون روغن در دمای 400 درجه سانتیگراد، نرخ سایش زیر 0.02 میلیمترمکعب بر نیوتونمتر باقی ماند و این ماده را برای عملیات بدون روغن ایدهآل میسازد. تعادل بین سختی و چقرمگی عملکرد قابلاطمینانی را در محیطهای آلوده فراهم میکند که در آن یاتاقانهای فولادی معمولاً دچار خوردگی نقطهای (pitting) میشوند.
چگالی پایینتر نیترید سیلیسیوم که حدود ۳٫۲ گرم در سانتیمتر مکعب است، نیروهای گریز از مرکز را تا ۶۰ درصد نسبت به فولاد که چگالی آن ۷٫۸ گرم بر سانتیمتر مکعب است، کاهش میدهد. این بدان معناست که قطعات حتی در صورت چرخش با بیش از ۱٫۵ میلیون واحد DN (قطر ضربدر دور در دقیقه) نیز میتوانند بهخوبی کار کنند. این مزیت بهویژه در مواردی مانند محورهای توربین هواپیما و متههای بسیار کوچک اما حیاتی در دستگاههای پزشکی برجسته میشود. بلبرینگهای فولادی تمایل دارند زودتر از موعد خراب شوند، زیرا بهمرور زمان نمیتوانند تنشهای اینرسی زیاد را تحمل کنند. مطالعات دانشمندان مواد نشان میدهد که این کاهش تنشها در واقع دورههای نگهداری توربوشارژرهای صنعتی را بین ۱۲ تا ۱۸ درصد افزایش میدهد. این موضوع منطقی است که چرا امروزه تولیدکنندگان زیادی در حال تغییر مواد مورد استفاده خود هستند.
| متریال | چگالی (گرم بر سانتیمتر مکعب) | تنش گریز از مرکز در ۵۰ هزار دور در دقیقه | تولید گرما |
|---|---|---|---|
| نیترید سیلیکون | 3.2 | ۲۲۰ مگاپاسکال | افزایش ۳۵°C |
| فولاد | 7.8 | 580 مگاپاسکال | افزایش ۸۲°C |
نسبت تراکم 3.4:1 امکان استفاده از مجموعههای یاتاقان سبکتر را بدون کاهش ظرفیت بار فراهم میکند—عاملی تعیینکننده در سیستمهای پیشرانه ترکیبی فرمول ۱، جایی که تیمها با کاهش جرم به شتابگیری ۱۱ درصدی بیشتری دست مییابند.
یاتاقانهای نیترید سیلیسیوم میتوانند حدود ۲۵ تا ۴۰ درصد سریعتر از همتایان فولادی خود در توربینهای گازی بچرخند، زیرا نیروهای اینرسی کمتری دارند. همچنین، طبق اعداد ارائهشده توسط آژانس بینالمللی انرژیهای تجدیدپذیر در سال ۲۰۲۳، بهرهبرداران توربینهای بادی حدود ۶ تا ۹ درصد کاهش تلفات انرژی در محورهای اصلی مشاهده کردهاند. دنیای تولید نیز متوجه این موضوع شده است. شرکتهای سازنده ابزارهای دقیق مانند تسوگامی و اوکوما دریافتند که با انتقال به یاتاقانهای سرامیکی در محرکههای اسپیندل خود، زمان چرخه در مراکز ماشینکاری CNC با سرعت بالا بهطور متوسط حدود ۱۵ درصد کاهش یافته است. این بهبودها در حال شکلدهی مجدد به آنچه در کاربردهای صنعتی ممکن است، هستند.
مقدار DN: معیار صنعتی که در آن DN = قطر داخلی بیرینگ (mm) × سرعت چرخشی (rpm)
نیترید سیلیسیوم در دماهای بالای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد عملکرد بسیار خوبی دارد، در حالی که فولاد معمولی از حدود ۴۰۰ درجه شروع به خم شدن و تغییر شکل میکند. علت مقاومت بالای این ماده چیست؟ پاسخ در پیوندهای شیمیایی بسیار قوی بین اتمها و همچنین ساختار داخلی متراکم آن نهفته است. این ویژگیها به این ماده اجازه میدهند در محیطهای دمای بالا مانند کورههای کارخانهها یا قطعات موتورهای جت بهصورت قابل اعتمادی عمل کند، در حالی که سایر مواد در این شرایط از کار میافتند. تحقیق منتشرشده در مجله مهندسی عین شمس سال گذشته چیز جالبی را نشان داد: پس از ۵۰۰ ساعت قرار گرفتن مداوم در دمای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد، این مواد سرامیکی همچنان بیش از ۹۰٪ از استحکام خمشی اولیه خود را حفظ کردند. این سطح از دوام ثابت میکند که این مواد میتوانند بدون تخریب شدن در طول زمان، تنشهای شدید حرارتی را تحمل کنند.
این خواص حرارتی نیترید سیلیسیوم را به مادهای ضروری برای قطعات موتور جت تبدیل میکند که بهطور مداوم در دماهای بالای 800 درجه سانتیگراد کار میکنند. در فرآیند ماشینکاری با سرعت بالا، این ماده انحراف دمایی میله اصلی را در مقایسه با فولاد 40 تا 60 درصد کاهش میدهد و به دقت بیشتری در ماشینکاری فلزات دقیق کمک میکند.
به عنوان یک ماده غیرفلزی، نیترید سیلیسیوم در برابر خوردگی گالوانیک در آب شور، محیطهای اسیدی و قلیایی مقاوم است. این ماده بدون نیاز به روانکاری در پمپهای شیمیایی و تجهیزات دریایی بهصورت قابل اعتمادی کار میکند و هزینههای نگهداری را تا 70 درصد در توربینهای بادی فراساحلی و سیستمهای نمکزدایی کاهش میدهد.
ضریب انبساط حرارتی نیترید سیلیسیوم (3.2 × 10⁶/°C) بهخوبی با فولاد ضدزنگ (17 × 10⁶/°C) هماهنگ است و تنشهای بینسطحی را در تغییرات سریع دما به حداقل میرساند. این سازگاری از باز شدن اتصالات در توربوشارژرهای خودرو که تحت چرخههای متعدد حرارتی قرار دارند، جلوگیری میکند.
در زمینه علم مواد، نیترید سیلیسیوم از فولاد معمولی در چندین جنبه مهم پیشی گرفته و بسیاری از مشکلات موجود در سرامیکهای سنتی را برطرف میکند. این ماده همچنین بسیار سبکتر است — تنها حدود ۳٫۲ گرم در سانتیمتر مکعب در مقابل ۷٫۸ گرم سنگین فولاد. این ویژگی باعث میشود که بلبرینگهای سرامیکی عملکرد بسیار خوبی در دستگاههای پرسرعت داشته باشند، زیرا نیروهای گریز از مرکز را تقریباً به میزان دو سوم کاهش میدهند. نکته جالبتر این است که این قطعات سرامیکی تا دمای نزدیک به ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد بدون مشکل کار میکنند؛ دمایی که بسیار بالاتر از حد مقاومت فولاد است که حدود ۳۰۰ درجه سانتیگراد دچار خرابی میشود. همچنین از نظر مقاومت در برابر تشکیل ترک، نیترید سیلیسیوم مدرن در سطحی مشابه آلیاژهای باکیفیت فولاد قرار دارد. بر اساس تحقیقات اخیر متخصصان تریبولوژی که سال گذشته منتشر شده است، دستگاههایی که از این سرامیکهای پیشرفته استفاده میکنند، تقریباً سه برابر عمر بیشتری در چرخههای کاری مداوم دارند.
اگرچه بلبرینگهای نیترید سیلیسیوم دارای هزینه اولیهای ۳۰ تا ۵۰ درصد بالاتر هستند، اما عمر آنها در شرایط سخت ۳ تا ۵ برابر بیشتر است و این امر منجر به کاهش ۴۰ درصدی هزینههای تعمیر و نگهداری در طول عمر میشود. تحلیلی در سال ۲۰۲۴ در صنعت نشان داد که پس از انتقال به طراحیهای ترکیبی سرامیکی، تأسیسات نیمههادی موفق شد زمان توقف سالانه تعویض بلبرینگ را به میزان ۱۲۰ ساعت کاهش دهند و در عرض ۱۸ ماه سرمایهگذاری خود را بازیابی کنند.
مرزهای جدید شامل کمپرسورهای سلول سوختی هیدروژنی و چرخهای واکنشی ماهوارهها است که در آنها عایقبندی الکتریکی و سازگاری با خلاء از اهمیت حیاتی برخوردار است. پیشبینیهای اخیر مهندسی دقیق نشان میدهد که رشد سالانه ۲۵ درصدی در این بازارهای تخصصی تا سال ۲۰۳۰ اتفاق خواهد افتاد.
سازندگان خودروهای برقی در حال استفاده از بلبرینگهای نیترید سیلیسیوم در محور موتور کششی 800 ولت هستند و از ماهیت غیرمغناطیسی آنها برای کاهش تداخل الکترومغناطیسی بهره میبرند. تولیدکنندگان توربینهای بادی بهبود 12 درصدی را در ژنراتورهای مستقیمحرکت با استفاده از بلبرینگهای سرامیکی بدون روغن که در برابر خوردگی نمک آب مقاوم هستند، گزارش کردهاند.
سینتر کردن پیشرفته با فشار گاز اکنون به چگالی 99.5 درصد چگالی نظری در قطعات سطح تولیدی دست یافته است و نیاز به پردازش پس از تولید را تا 35 درصد کاهش میدهد. این پیشرفتها مشکلات تاریخی ناسازگاری را حل کرده و تولید انبوهی را پشتیبانی میکنند که قبلاً تنها به بلبرینگهای فولادی محدود میشد.
EN
