ניטריד הסיליקון בולט במיוחד במצבים של מתח גבוה בזכות מאפיינים מכניים מרשים למדי. קחו לדוגמה את עמידות השבר, שהיא בערך 6 עד 8 MPa שורש מטר, כלומר כמעט פי שלושה יותר ממה שצופים בסרטנים אלומיניום, לפי ScienceDirect משנה שעברה. מה גורם לחומר הזה להיות כל כך עמיד? הכל מתרכז בתבנית הגבישים של הפאזה הבeta. הגרעינים הארכו יוצרים סוג של חיבור כמו חלקים בפאזל, שמונע מסדקים זעירים להתפשט בחומר תחת עומסים חוזרים.
חוזק היגב של החומר מגיע ל-1,000 MPa, גבוה מחוזק הזירקוניה (650 MPa) וסיליקון קרביד (550 MPa). בניגוד לחלופות אלו, סיליקון ניטריד שומר על 85% מחוזקו בטמפרטורת החדר ב-800°C, כפי שנראה בסימולציות מתח חום.
עמידות יתירה זו נובעת משלושה גורמים עיקריים:
טכניקות סינטור מתקדמות מייצרות מטריצה של גרגירים דקים (1–3 מיקרומטר) המשוחזרת באמצעות גבישים גדולים יותר של פאזת β. המבנה "משוחזר עצמי" זה משפר את התפלגות העומס, ומאפשר לbearings מנייטריד הסיליקון לעמוד בלחצי מגע הרציאניים הגבוהים ב-20% מאלו של חלקי פלדה מקבילים ביישומי טורבינה.
שבבי ניטריד סיליקון מציגים עמידות יוצאת דופן בפני עייפות מגע מתגלגל (RCF), ושומרים על שלמותם גםภายใตן מאמצים מחזוריים העולים על 4 GPa. מחקר משנת 2024 שפורסם ב- Surface and Coatings Technology הראה כי הכימיה של גבולות הגרעינים בניטריד הסיליקון מקטינה את הופעת סדקים תת-שכתיים ב-40% בהשוואה לשבבי פלדה, גם בסביבות טורבינות בעומס גבוה. התנהגות זו נובעת מקשרים אטומיים קוולנטיים שמפזרים אנרגיה בצורה יעילה במהלך מחזורי מתח.
ניסויים שיתופיים עם שותפים בתעשיית התעופה וה תעשייה הראו עלייה של 60% באורך חיי השירות של יתדות באמצעות עיצובי סיליקון ניטריד היברידי. היתדות עמדו במעל ל-500,000 מחזורי עומס בסימולציות של מנועי קֶטֶב ללא בלאי מדיד, וגרסו על פני חלקי פלדה ביחס של 3:1. נתוני שטח אישרו הפחתה בתדירות התיקונים, במיוחד תחת עומסי רדיאלי משתנים.
המבנה המיקרוסקופי ההומוגני של סיליקון ניטריד ממזער נקודות ריכוז מתח, מה שמוביל להפחתה של 75% בכשלים עקב התקלפות בהשוואה לסерמיקה מבוססת זירקוניה. הכשל מועבר מכישור פתאומי לשחיקה הדרגתית, מהמאפשר תחזוקה חזויה. מבחני פרופילומטריה של פני השטח הראו אובדן חומר הנמוך ב-85% לאחר 1,000 שעות בתנאים מחמירים.
עם קשיות ויקרס של כ-15 GPa—כפולה מזו של פלדה מעושנת—ניטריד הסיליקון עמיד בפני שחיקה דביקה ואבזיבית. בבדיקות הפעלה יבשה בטמפרטורה של 400°C, שיעורי השחיקה נותרו מתחת ל-0.02 mm³/Nm, מה שהופך אותו אידיאלי להפעלה ללא שמן. האיזון בין קשיחות לעקימות מבטיח ביצועים אמינים בסביבות מלוכלכות, בהן שבבים מפלדיים סובלים בדרך כלל מקמטים.
הצפיפות הנמוכה של ניטריד הסיליקון, שמתמקדת סביב 3.2 גרם לסמ"ק, מקטינה את כוחות הצנטריפוגליים ב-60 אחוז לעומת פלדה שמשקלה 7.8 גרם/סמ"ק. זה אומר שרכיבים יכולים לפעול בצורה חלקה גם כאשר הם מסתובבים במהירות של יותר מ-1.5 מיליון יחידות DN (קוטר כפול סל"ד). היתרונות בולטים במיוחד ברכיבים כמו צירים של טורבינות מטוסים והספינדלים הקטנים אך חיוניים שבמכשירים רפואיים. גלילים מפלדה נוטים להתקלקל מוקדם יותר מכיוון שהם פשוט לא יכולים לעמוד בלחצי האינרציה לאורך זמן. מחקרים של מדעני חומרים מראים שהלחץ המצטמצם מאריך את תקופות התחזוקה בין 12 ל-18 אחוז לטורבוشار져ים תעשייתיים. ברור למה כל כך הרבה יצרנים משנים חומרים בימינו.
| חומר | צפיפות (g/cm³) | מתח צנטריפוגלי ב-50 אלף סל"ד | ייצור חום |
|---|---|---|---|
| ניטריד סיליקון | 3.2 | 220 MPa | עלייה של 35°C |
| פלדה | 7.8 | 580 MPa | עלייה של 82°C |
יחס הצפיפות 3.4:1 מאפשר אסימוני שסתומים קליים יותר מבלי להקריב את יכולת העומס – גורם מכריע במנועי היברידיות של פורמולה 1, שבהם צוותים משיגים تسعة עשר אחוז מהירות גדולה יותר בהאצה באמצעות הפחתת מסה.
שסתומים מנייטריד הסיליקון יכולים לסובב במהירות של 25 עד 40 אחוז יותר מאשר שסתומים מפלדה בטורבינות גז, בזכות כוחות התמד נמוכים יותר. גם בעלי תחנות רוח מבחינים בשיפור: איבודי אנרגיה בציר הראשי ירדו בכ-6 עד 9 אחוז, לפי נתונים של הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה מתחדשת משנת 2023. גם עולם הייצור שם לב לשינוי. חברות המייצרות כלים דקיקים כמו Tsugami ו-Okuma גילו שעם המעבר לשסתומים קרמיים במונעי הציד, זמני מחזור ירדו בכ-15% במרכזיות CNC למהירים. שיפורים אלו מתחילים לשנות את מה שנראה אפשרי ביישומים תעשייתיים.
ערך DN: מדד תקני של התעשייה, שבו DN = קוטר שסתום (מ"מ) × מהירות סיבוב (RPM)
ניטריד הסיליקון שומר על ביצועים טובים גם כאשר הטמפרטורות עולות מעל 1000 מעלות צלזיוס, הרבה יותר טוב מפלדה רגילה שמתחילה להסתחרר ולעוות סביב 400 מעלות בלבד. מה גורם לחומר הזה להיות כל כך עמיד? התשובה נמצאת בקשרים הכימיים החזקים במיוחד בין האטומים, ובמבנה הפנימי הדחוס ביותר. תכונות אלו מאפשרות לו לפעול בצורה אמינה גם בסביבות חמות במיוחד, כמו תנורי מפעל או חלקים במנועי סילון, שבהן חומרים אחרים ייכשלו. מחקר שפורסם בשנה שעברה בכתב העת של הפקולטה להנדסה של אין שמס הראה גם משהו מעניין: לאחר שהחומר עמד במשך 500 שעות רצופות בטמפרטורה של 1000 מעלות צלזיוס, החומרים keramiים עדיין שמרו על יותר מ-90% מכוח הקיפוף המקורי שלהם. עמידות שכזו מוכיחה שהם מסוגלים לעמוד בלחצי חום קיצוניים ללא התדרדרות לאורך זמן.
תכונות חום אלה הופכות את נייטרייד הסיליקון לחשוב עבור רכיבי מנועי ג'ט הפועלים ללא הרף מעל 800 ° C. במלאכה במהירות גבוהה, החומר מקטין את העיוות של החום המובילה על ידי 40 ~ 60% בהשוואה פלדה, תומך בסבלנות יותר צמודה
כחומר לא מתכתי, ניטריד סיליקון עמיד לחרבת גלוונית במים מלוחים, סביבות חומציות ואלקליות. הוא פועל באופן אמין במשאבות כימיות ובציוד ימי ללא השמן, ומפחית את עלויות התחזוקה עד 70% במטורבינות רוח יבשה ומערכות מיתוג.
מקדם התרחבות החום של ניטריד הסיליקון (3.2 × 106/°C) מתואם היטב עם פלדה לא מדודה (17 × 106/°C), ומקטין את מתח פני השטח במהלך שינויים מהירים בטמפרטורה. התאמה זו מונעת רחיקה בטורבוטורמיטורים רכב הנחשלים למחזור תרמי תכוף.
כשמדובר במדעי החומרים, חנקן הסיליקון מנצח פלדה רגילה בכמה תחומים חשובים ופותר מגוון בעיות שהיו לเซרמיקה מסורתית. החומר גם קל בהרבה - רק כ-3.2 גרם לסמ"ק לעומת 7.8 הגרמים של הפלדה. זה הופך את השעונים kerמיים למוצלחים במיוחד בטיפול במכונות במהירויות גבוהות, שכן הם מקטינים את כוחות הצנטריפוגה המטרידים בכמעט שני שלישים. מה שעוד יותר טוב? רכיבי ה-kerמיקה האלה ממשיכים לתפקד יפה גם בטמפרטורות שקרבות ל-1,000 מעלות צלזיוס. זו טמפרטורה הרבה מעל למה שהפלדה יכולה לסבול לפני שהיא מתחילה להיכשל, בסביבות 300 מעלות. וכשמדובר בהתנגדות ל образования של סדקים, חנקן הסיליקון המודרני למעשה מגיע לרמת עמידות השווה לזו של סגסוגות פלדה איכותיות מסוימות. לפי מחקר חדש של מומחים בתחום הטריבולוגיה שפורסם בשנה שעברה, מכונות המשתמשות בסרטמיקה מתקדמת אלו עובדות כמעט פי שלושה ארוכות יותר במהלך מחזורי פעולה מתמשכים.
למרות שמסבי ניטריד הסיליקון יקרים ב-30–50% בהתחלה, אורך חייהם ארוך פי 3–5 בתנאים קיצוניים, מה שמוביל להורדת הוצאות תחזוקה למשך כל מחזור החיים ב-40%. ניתוח מ-2024 של תעשיות ייצור גילה שמכוני מוליכי חום הצליחו לצמצם את הזמן המתועבת להחלפת מסבים ב-120 שעות בשנה לאחר המעבר לעיצובי קרמיקה היברידית, והשיגו החזר על ההשקעה תוך 18 חודשים.
גזרות חדשות כוללות מדחסי תאי דלק של מימן וחוגי תגובה ללווינים, שם עמידות חשמלית והתאמה לסביבת ריקב הן חשובות. תחזיות הנדסת דיוק עדכניות צופות צמיחה שנתית של 25% בשווקים הצרים הללו עד 2030.
יצרני רכב חשמלי משלבים שבבי ניטריד סיליקון בערוצות מנוע הtractive של 800V, ובכך מנצלים את טיבם הלא מגנטי כדי למזער הפרעות אלקטרומגנטיות. יצרני טורבינות רוח מדווחים על שיפור של 12% ביעילות של מחוללים דו-מימדיים המשתמשים בשבבים קרמיים ללא שמן, בעלי עמידות לתסיסה על ידי מלח.
שיכוך מתקדם באמצעות לחץ גז מגיע כעת לצפיפות של 99.5% מהצפיפות התיאורטית ברכיבים המיוצרים, וחותך את צרכי העיבוד שלאחר הייצור ב-35%. התקדמות זו פותרת בעיות עקיבות שהתקיימו בעבר, ותומכת בייצור ניתן להרחבה שהיה מוגבל בעבר לשימוש בשבבים מפלדה.
EN
