ઉચ્ચ તણાવની પરિસ્થિતિઓ સાથે વ્યવહાર કરતી વખતે સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ ખરેખર અલગ ઊભું રહે છે, કારણ કે તેમાં કેટલાક ખૂબ જ આકર્ષક યાંત્રિક લાક્ષણિકતાઓ છે. ઉદાહરણ તરીકે ફ્રેક્ચર ટફનેસ, તે લગભગ 6 થી 8 MPa મૂળ m ની શ્રેણીમાં માપવામાં આવે છે, જે ગત વર્ષે ScienceDirect મુજબ એલ્યુમિના સેરામિક્સ કરતાં લગભગ ત્રણ ગણી વધુ સારી છે. આ સામગ્રીને આટલી મજબૂત બનાવતું શું છે? ખૈર, આ બધું તેની અંદરની બીટા ફેઝ ક્રિસ્ટલ સ્ટ્રક્ચર પર આધારિત છે. લાંબા દાણા મૂળભૂત રીતે પઝલના ટુકડાઓની જેમ એકબીજા સાથે જોડાઈ જાય છે, જેથી સામગ્રી પર વારંવાર લોડ લાગતા નાના ફાટો ફેલાવાનું ઘણું મુશ્કેલ બની જાય છે.
સામગ્રીની વળણ મજબૂતી 1,000 MPa સુધી પહોંચે છે, જે ઝિરકોનિયા (650 MPa) અને સિલિકોન કાર્બાઇડ (550 MPa) ને આગળ રાખે છે. આ વિકલ્પોથી વિપરીત, સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ 800°C તાપમાને ઓરડાના તાપમાનની 85% મજબૂતી જાળવી રાખે છે, જેમ કે ઉષ્મા તણાવ સિમ્યુલેશનમાં બતાવવામાં આવ્યું છે.
આ અદ્વિતીય મજબૂતી ત્રણ મુખ્ય પરિબળોને કારણે થાય છે:
ઉન્નત સિન્ટરિંગ તકનીકો 1–3 µm ના સૂક્ષ્મ દાણાનું આધાર મેટ્રિક્સ મોટા β-તબક્કાના ક્રિસ્ટલ્સ સાથે મજબૂત બનાવે છે. આ 'સ્વ-મજબૂત' રચના ભારના વિતરણમાં સુધારો કરે છે, જેના કારણે ટર્બાઇન એપ્લિકેશન્સમાં સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ બેરિંગ્સ સ્ટીલના બેરિંગ્સ કરતાં 20% વધુ હર્ટઝિયન સંપર્ક તણાવ સહન કરી શકે છે.
સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ બેરિંગ્સમાં 4 GPa થી વધુના ચક્રીય તણાવને કારણે રોલિંગ કોન્ટેક્ટ ફેટિગ (RCF) સામે અદ્વિતીય પ્રતિકારકતા જોવા મળે છે. 2024 માં પ્રકાશિત એક અભ્યાસમાં સરફેસ એન્ડ કોટિંગ્સ ટેકનોલોજી એ જણાવ્યું હતું કે ટર્બાઇનના ઊંચા ભારવાળા વાતાવરણમાં પણ સ્ટીલના બેરિંગ્સની સરખામણીએ સિલિકોન નાઇટ્રાઇડની ગ્રેન બાઉન્ડરી કેમિસ્ટ્રી સબસરફેસ ક્રેકની શરૂઆતમાં 40% ઘટાડો કરે છે. આ વર્તન કોવેલન્ટ પરમાણુ બંધનને કારણે થાય છે જે તણાવના ચક્ર દરમિયાન ઊર્જાનું કાર્યક્ષમતાપૂર્વક વિખેરાવ કરે છે.
ઉડ્ડયન અને ઔદ્યોગિક ભાગીદારો સાથેના સહકારાત્મક પરીક્ષણોમાં સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ હાઇબ્રીડ ડિઝાઇનનો ઉપયોગ કરવાથી બેરિંગની સેવા આયુષ્યમાં 60% વધારો થયો. આ બેરિંગ્સે જેટ એન્જિનના સિમ્યુલેશનમાં 500,000 થી વધુ લોડ ચક્રો સહન કર્યા અને માપી શકાય તેવો કોઈ ઘસારો ન થયો, જે સ્ટીલના સમકક્ષ કરતાં 3:1 ના ગુણોત્તરે વધુ સારું પ્રદર્શન કરે છે. ફિલ્ડ ડેટાએ રેડિયલ લોડમાં ફેરફાર હોય ત્યારે ખાસ કરીને જાળવણીની આવર્તનમાં ઘટાડો દર્શાવ્યો.
સિલિકોન નાઇટ્રાઇડની સમાંગ સૂક્ષ્મ રચના તણાવના કેન્દ્રીકરણનાં બિંદુઓને લઘુતમ કરે છે, જેના પરિણામે ઝિરકોનિયા-આધારિત સેરામિક્સની સરખામણીએ સ્પોલિંગ નિષ્ફળતામાં 75% ઘટાડો થાય છે. નિષ્ફળતા અચાનક તિરાડની જગ્યાએ ધીમે ધીમે ઘસારા તરફ સ્થાનાંતરિત થાય છે, જે આગાહીપૂર્વકની જાળવણીને સક્ષમ બનાવે છે. સપાટી પ્રોફાઇલોમીટ્રી પરીક્ષણોમાં ખરબચડી પરિસ્થિતિમાં 1,000 કલાક પછી 85% ઓછું સામગ્રી નુકસાન દર્શાવ્યું.
લગભગ 15 GPa ની વિકર્સ કઠિનતા સાથે—હાર્ડન્ડ સ્ટીલની લગભગ બમણી—સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ ચોસણ અને ઘસારાના ઘસારાને અસરકારક રીતે પ્રતિકાર કરે છે. 400°C પર શુષ્ક-ચાલન પરીક્ષણોમાં, ઘસારાનો દર 0.02 mm³/Nm કરતાં ઓછો રહ્યો, જે તેને તેલ-મુક્ત ઑપરેશન માટે આદર્શ બનાવે છે. કઠિનતા અને મજબૂતી વચ્ચેનું સંતુલન એવા દૂષિત વાતાવરણોમાં વિશ્વસનીય કાર્યક્ષમતા ખાતરી આપે છે જ્યાં સ્ટીલ બેરિંગ્સ સામાન્ય રીતે પિટિંગથી પીડાય છે.
લગભગ 3.2 ગ્રામ પ્રતિ સેમી³ ની ઘનતા ધરાવતા સિલિકોન નાઇટ્રાઇડની તુલના 7.8 ગ્રામ/સેમી³ વજન ધરાવતા સ્ટીલ સાથે કરવામાં આવે ત્યારે તે સેન્ટ્રીફ્યુગલ બળને 60 ટકા જેટલો ઘટાડો કરે છે. આનો અર્થ એ થાય છે કે 1.5 મિલિયન DN એકમ (એટલે વ્યાસ × પ્રતિ મિનિટ પરિભ્રમણ) થી વધુની ઝડપે ફરતા હોય તોપણ ઘટકો સરળતાથી કાર્ય કરી શકે છે. આ લાભ ખાસ કરીને એરપ્લેન ટર્બાઇન શાફ્ટ અને મેડિકલ ઉપકરણોમાં મળતી નાની પણ મહત્વપૂર્ણ સ્પાઇન્ડલ્સમાં સ્પષ્ટ રીતે જોવા મળે છે. સમય સાથે જડત્વીય તણાવને સહન કરવાની ક્ષમતા ઓછી હોવાથી સ્ટીલ બેરિંગ્સ વહેલા નિષ્ફળ જાય છે. સામગ્રી વૈજ્ઞાનિકોના અભ્યાસો દર્શાવે છે કે આ ઘટાડેલા તણાવને કારણે ઔદ્યોગિક ટર્બોચાર્જર્સના જાળવણીના સમયગાળામાં 12 થી 18 ટકાનો વિસ્તરણ થાય છે. આજકાલ ઘણા ઉત્પાદકો સામગ્રી બદલી રહ્યા છે, તેનું કારણ સમજી શકાય છે.
| સામગ્રી | ઘનતા (g/cm³) | 50k rpm પર સેન્ટ્રીફ્યુગલ તણાવ | ઉષ્ણતા ઉત્પાદન |
|---|---|---|---|
| સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ | 3.2 | 220 MPa | 35°C વધારો |
| સ્ટીલ | 7.8 | 580 MPa | 82°C વધારો |
3.4:1 ઘનતા ગુણોત્તર લોડ ક્ષમતાને ભંગ કર્યા વિના હળવા બેરિંગ એસેમ્બલીને સક્ષમ બનાવે છે—ફોર્મ્યુલા 1 હાઇબ્રિડ પાવરટ્રેનમાં આ નિર્ણાયક પરિબળ છે, જ્યાં ટીમો દળ ઘટાડો દ્વારા 11% વધુ ઝડપી પ્રવેગ પ્રાપ્ત કરે છે.
ગેસ ટર્બાઇનમાં સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ બેરિંગ તેમના સ્ટીલના સાથીદારો કરતાં લગભગ 25 થી 40 ટકા વધુ ઝડપથી ફરી શકે છે કારણ કે તેમની જડતા બળો ઓછી હોય છે. 2023 માં આંતરરાષ્ટ્રીય નવીકરણીય ઊર્જા એજન્સીના આંકડાઓ પર આધારિત પવન ટર્બાઇન સંચાલકો મુખ્ય શાફ્ટમાં લગભગ 6 થી 9 ટકા ઓછી ઊર્જા નુકસાન જોઈ રહ્યા છે. ઉત્પાદન વિશ્વે પણ તેનો નોંધ લીધો છે. તસુગામી અને ઓક્યુમા જેવી ચોકસાઈના સાધનો બનાવતી કંપનીઓએ જ્યારે તેમના સ્પાઇન્ડલ ડ્રાઇવમાં સેરામિક બેરિંગ તરફ સ્વિચ કર્યું, ત્યારે ઉચ્ચ ઝડપ વાળા CNC મશીનિંગ સેન્ટર્સમાં સાઇકલ સમય લગભગ 15% ઘટી ગયો. આ સુધારાઓ ઔદ્યોગિક એપ્લિકેશન્સમાં શક્ય બાબતોને ફરીથી આકાર આપવાનું શરૂ કરી રહ્યા છે.
DN મૂલ્ય: ઉદ્યોગ ધોરણ મેટ્રિક જ્યાં DN = બેરિંગ બોર (મીમી) × ભ્રમણ ઝડપ (આરપીએમ)
સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ 1000 ડિગ્રી સેલ્સિયસના તાપમાનથી વધુ જતાં ખૂબ જ સારી રીતે કામ કરે છે, જ્યારે સામાન્ય સ્ટીલ માત્ર 400 ડિગ્રીની આસપાસ વળી જાય છે અને વિકૃત થઈ જાય છે. આ સામગ્રીને આટલી મજબૂત બનાવતું શું છે? આનો જવાબ પરમાણુઓ વચ્ચેના અતિ મજબૂત રાસાયણિક બંધનો અને ગાઢ આંતરિક રચનામાં છે. આ ગુણધર્મોને કારણે તે એવા ઉચ્ચ તાપમાનના વાતાવરણમાં પણ વિશ્વસનીય રીતે કામ કરી શકે છે જેવા કે ફેક્ટરીના ભઠ્ઠાઓ અથવા જેટ એન્જિનના ભાગો જ્યાં અન્ય સામગ્રીઓ નિષ્ફળ જાય છે. ગયા વર્ષે ઐન શામ્સ એન્જિનિયરિંગ જર્નલમાંથી થયેલા સંશોધનમાં એક રસપ્રદ બાબત સામે આવી હતી. 1000 ડિગ્રીના તીવ્ર તાપમાનમાં સતત 500 કલાક સુધી રહ્યા પછી, આ સેરામિક સામગ્રીઓએ તેમની મૂળ વળાંકની મજબૂતીના 90% કરતાં વધુ જાળવી રાખ્યા હતા. આ પ્રકારની ટકાઉપણું એ સાબિત કરે છે કે સમયાંતરે તૂટી પડ્યા વિના તેઓ ગંભીર ઉષ્ણતાના તણાવને સંભાળી શકે છે.
આ ઉષ્મા ગુણધર્મો સિલિકોન નાઇટ્રાઇડને 800°C ની ઉપર ચાલતા જેટ એન્જિન ઘટકો માટે આવશ્યક બનાવે છે. ઉચ્ચ-ગતિ મશીનિંગમાં, સ્ટીલની સરખામણીએ આ સામગ્રી ઉષ્મા-પ્રેરિત સ્પાઇન્ડલ વિકૃતિને 40–60% સુધી ઘટાડે છે, જે ચોકસાઈપૂર્વકની ધાતુ કાર્યક્ષમતામાં વધુ સખત સહનશીલતાને ટેકો આપે છે.
એક અધાતુ સામગ્રી તરીકે, સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ લૂણયુક્ત પાણી, ઍસિડિક અને ઍલ્કલાઇન પર્યાવરણોમાં ગેલ્વેનિક કાટથી પ્રતિકાર કરે છે. તે રસાયણિક પંપો અને સમુદ્રી સાધનોમાં ચરબી વિના વિશ્વસનીય રીતે કાર્ય કરે છે, જે ઓફશોર પવન ટર્બાઇનો અને ડિસોલિનેશન સિસ્ટમ્સમાં જાળવણીના ખર્ચમાં 70% સુધીનો ઘટાડો કરે છે.
સિલિકોન નાઇટ્રાઇડનો ઉષ્મા પ્રસરણ ગુણાંક (3.2 × 10⁶/°C) સ્ટેનલેસ સ્ટીલ (17 × 10⁶/°C) ની નજીક છે, જે ઝડપી તાપમાન ફેરફાર દરમિયાન આંતરફળીય તણાવને લઘુતમ કરે છે. આ સુસંગતતા વારંવાર ઉષ્મા ચક્રણનો સામનો કરતી ઓટોમોટિવ ટર્બોચાર્જર્સમાં ઢીલાપણાને અટકાવે છે.
સામગ્રી વિજ્ઞાનની દૃષ્ટિએ, સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ સામાન્ય સ્ટીલને ઘણા મહત્વપૂર્ણ પાસાઓમાં પાછળ છોડી દે છે અને પરંપરાગત સેરામિક્સની ઘણી સમસ્યાઓનું નિરાકરણ કરે છે. આ સામગ્રી ખૂબ જ હલકી પણ છે - તેની ઘનતા માત્ર લગભગ 3.2 ગ્રામ પ્રતિ સેમી³ છે, જ્યારે સ્ટીલની 7.8 ગ્રામ છે. આથી સેરામિક બેરિંગ્સ ઉચ્ચ ઝડપવાળી મશીનરીને સંભાળવામાં ખૂબ જ સારા છે, કારણ કે તેઓ અપ્રિય સેન્ટ્રીફ્યુગલ બળોમાં લગભગ બે તૃતિયાંશનો ઘટાડો કરે છે. તેનાથી પણ વધુ સારી વાત શું છે? આ સેરામિક ઘટકો 1,000 ડિગ્રી સેલ્સિયસની નજીક તાપમાન સુધી સારી રીતે કાર્ય કરતા રહે છે. આ તાપમાન સ્ટીલની તુલનાએ ખૂબ વધુ છે, જે લગભગ 300 ડિગ્રીએ નિષ્ફળ થવાનું શરૂ કરે છે. તિરાડો પડવા સામેની તેમની મજબૂતાઈની દૃષ્ટિએ, આધુનિક સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ કેટલીક ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળી સ્ટીલ મિશ્રધાતુઓને પણ સરખી પડે છે. ગત વર્ષે પ્રકાશિત કરાયેલા ટ્રાઇબોલોજી નિષ્ણાતોના તાજેતરના સંશોધન મુજબ, આ ઉન્નત સેરામિક્સનો ઉપયોગ કરતી મશીનો નિરંતર સંચાલન ચક્રો દરમિયાન લગભગ ત્રણ ગણો લાંબો સમય સુધી ચાલે છે.
સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ બેરિંગ્સની પ્રારંભિક કિંમત 30–50% વધુ હોવા છતાં, તીવ્ર પરિસ્થિતિઓમાં તેમની આયુષ્ય 3–5 ગણું લાંબુ હોવાથી જીવનકાળ દરમિયાન જાળવણીનો ખર્ચ 40% ઓછો થાય છે. 2024 ના ઉત્પાદન વિશ્લેષણમાં એવું જણાવાયું હતું કે સેમિકન્ડક્ટર સુવિધાઓએ હાઇબ્રિડ સેરામિક ડિઝાઇનમાં ફેરવ્યા પછી વાર્ષિક બેરિંગ બદલાવના અવરોધને લીધે 120 કલાકનો ઘટાડો થયો હતો અને 18 મહિનામાં રોકાણનું પૂર્ણ પરિવર્તન મેળવ્યું હતું.
નવી સીમાઓમાં હાઇડ્રોજન ઇંધણ સેલ કમ્પ્રેસર અને ઉપગ્રહ પ્રતિક્રિયા વ્હીલ્સનો સમાવેશ થાય છે, જ્યાં વિદ્યુત ઇન્સ્યુલેશન અને શૂન્યતા સુસંગતતા મહત્વપૂર્ણ છે. તાજેતરના ચોકસાઈ એન્જિનિયરિંગ અંદાજો 2030 સુધીમાં આ નિશ બજારોમાં વાર્ષિક 25% વૃદ્ધિની આગાહી કરે છે.
EV નિર્માતાઓ 800V ટ્રેક્શન મોટર શાફ્ટમાં સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ બેરિંગ્સનું એકીકરણ કરી રહ્યા છે, જેમાં તેમના અચુંબકીય ગુણધર્મોનો ઉપયોગ વિદ્યુતચુંબકીય હસ્તક્ષેપ ઘટાડવા માટે થાય છે. પવન ટર્બાઇન ઉત્પાદકો સીધા-ચાલિત જનરેટર્સમાં લુબ્રિકેશન-મુક્ત સેરામિક બેરિંગ્સનો ઉપયોગ કરીને 12% કાર્યક્ષમતા વૃદ્ધિનો અહેવાલ આપે છે જે ખારા પાણીના કાટને પ્રતિરોધક છે.
ઉન્નત વાયુ દબાણ સિન્ટરિંગ હવે ઉત્પાદન-ગ્રેડ ઘટકોમાં 99.5% સૈદ્ધાંતિક ઘનતા પ્રાપ્ત કરે છે, જે પોસ્ટ-પ્રોસેસિંગની જરૂરિયાતોને 35% ઘટાડે છે. આ પ્રગતિ ઐતિહાસિક સુસંગતતાની સમસ્યાઓને હલ કરે છે અને એક સમયે સ્ટીલ બેરિંગ્સ સુધી મર્યાદિત માપનીય ઉત્પાદનને આધાર આપે છે.
EN
