Silīcija nitrīds patiešām izceļas, risinot augstas slodzes situācijas, jo tam piemīt diezgan ievērojamas mehāniskās īpašības. Piemēram, lūzuma izturība ir aptuveni 6–8 MPa√m, kas pēc pagājušā gada ziņojuma portālā ScienceDirect ir aptuveni trīs reizes labāks rādītājs salīdzinājumā ar alumīna keramiku. Kas padara šo materiālu tik izturīgu? Viss atkarīgs no tā beta fāzes kristālstruktūras. Garie graudi burtiski savienojas kā mīklas gabaliņi, kuri ievērojami apgrūtina mikroskopisku plaisu izplatīšanos materiālā, kad tas tiek pakļauts atkārtotām slodzēm.
Materiāla lieces izturība sasniedz 1000 MPa, pārsniedzot cirkoniju (650 MPa) un silīcija karbīdu (550 MPa). Atšķirībā no šiem materiāliem silīcija nitrīds 800 °C temperatūrā saglabā 85 % no savas izturības istabas temperatūrā, kā parādīts termiskās slodzes simulācijās.
Šo izcilīgo izturību nosaka trīs galveni faktori:
Izsmalcinātas sinteza tehnoloģijas rada smalkgraudainu matricu (1–3 µm), kas pastiprināta ar lielākiem β-fāzes kristāliem. Šī „pašpastiprinātā” struktūra uzlabo slodzes sadalījumu, ļaujot silīcija nitrīda gultņiem izturēt par 20% augstāku Hertca kontaktspriegumu salīdzinājumā ar tērauda gultņiem turbīnu pielietojumos.
Silīcija nitrīda gultņi demonstrē izcilu pretestību ritināšanās kontaktizturībai (RCF), uzturot integritāti cikliskās slodzes apstākļos, kas pārsniedz 4 GPa. 2024. gadā žurnālā Surface and Coatings Technology publicēts pētījums atklāja, ka silīcija nitrīda graudu robežu ķīmija samazina zemvirsmas plaisu rašanos par 40% salīdzinājumā ar tērauda gultņiem, pat augstas slodzes turbīnu vidē. Šo uzvedību nosaka kovalentās atomu saites, kas efektīvi izkliedē enerģiju stresa ciklu laikā.
Kopīgos izmēģinājumos ar aviācijas un rūpniecības partneriem tika konstatēts 60 % liels palielinājums gultņu kalpošanas laikā, izmantojot silīcija nitrīda hibrīdizstrādājumus. Šie gultiņi izturēja vairāk nekā 500 000 slodzes ciklu reaktīvo dzinēju simulācijās bez mērāmas nodiluma, pārspējot tērauda analogus ar attiecību 3:1. Lauka dati apstiprināja mazāku apkopes biežumu, īpaši mainīgas rādiālslodzes apstākļos.
Silīcija nitrīda homogēnā mikrostruktūra minimizē stresa koncentrācijas punktus, rezultātā salīdzinājumā ar cirkonija bāzes keramiku samazinoties 75 % lobīšanās bojājumiem. Bojājums pāriet no pēkšņas plaisāšanas uz pakāpenisku nodilumu, kas ļauj prognozēt apkopi. Virsmas profiloģrāfijas testi parādīja 85 % mazāku materiāla zudumu pēc 1000 stundām abrazīvos apstākļos.
Ar Vikersa cietību aptuveni 15 GPa—gandrīz divas reizes lielāku nekā sakalta tērauda—silīcija nitrīds efektīvi pretojas līmējošam un abrazīvam nodilumam. Pārbaudēs sausā režīmā 400°C temperatūrā nodiluma ātrums palika zem 0,02 mm³/Nm, kas to padara par ideālu materiālu darbībai bez eļļošanas. Cietības un izturības līdzsvars nodrošina uzticamu darbību piesārņotās vides apstākļos, kuros parasti notiek pittinga veidošanās tērauda rullītāžā.
Silīcija nitrīda zemākā blīvums, aptuveni 3,2 grami uz kubikcentimetru, samazina centrbēdzes spēkus līdz pat 60 procentiem, salīdzinot ar tēraudu, kura svars ir 7,8 g/cm³. Tas nozīmē, ka komponenti var darboties gludi pat tad, ja tie rotē vairāk nekā 1,5 miljonus DN vienību (diametrs, reizināts ar apgriezieniem minūtē). Šis ieguvums īpaši izceļas tādos lietojumos kā lidmašīnu turbīnu vārpstas un tie mazi, bet būtiskie vārpstas elementi, kas atrodami medicīniskajos ierīcēs. Tērauda rullītbearings parasti iziet no ierindas agrāk, jo ilgtermiņā vienkārši nespēj izturēt šo inerces slodzi. Materiālu zinātnieku pētījumi liecina, ka šie samazinātie stresa apstākļi faktiski pagarina uzturēšanas intervālus no 12 līdz 18 procentiem rūpnieciskajiem turbokompresoriem. Nav brīnums, ka tik daudzi ražotāji šodien maina materiālus.
| Materiāls | Blīvums (g/cm³) | Centrbēdzes slodze pie 50 tūkstoš apgr./min | Siltuma veidošanās |
|---|---|---|---|
| Silīcija nitrides | 3.2 | 220 MPa | par 35°C pieaugums |
| Tērauds | 7.8 | 580 MPa | par 82°C pieaugums |
3,4:1 blīvuma attiecība ļauj izveidot vieglākas rullītbloku konstrukcijas, nekompromitējot slodzes izturību — izšķirošs faktors Formula 1 hibrīddzinēju sistēmās, kur komandas sasniedz par 11 % straujāku paātrināšanos, samazinot masu.
Silīcija nitrīda rullītbloki gāzturbīnās var rotēt aptuveni par 25 līdz 40 procentiem ātrāk nekā tērauda analogi, jo tiem raksturīgas zemākas inerces spēki. Vēja turbīnu operatori arī pieredzēja aptuveni par 6 līdz 9 procentiem mazākas enerģijas zudumu galvenajos vārpstās, pamatojoties uz Starptautiskās atjaunojamās enerģijas aģentūras datiem no 2023. gada. Arī ražošanas pasaule to ir pamanījusi. Uzņēmumi, kas ražo precīzus rīkus, piemēram, Tsugami un Okuma, konstatēja, ka pārejot uz keramikas rullītblokiem savos špindelos, cikla laiks augstā ātruma CNC apstrādes centros saruka aptuveni par 15 %. Šie uzlabojumi sāk pārveidot to, kas ir iespējams rūpnieciskajās lietojumprogrammās.
DN vērtība: Nozares standarta metrika, kur DN = rullītbulta iekšējais diametrs (mm) × rotācijas ātrums (apgr./min)
Silīcija nitrīds iztur temperatūras, kas pārsniedz 1000 grādus pēc Celsija, ļoti labi, daudz labāk nekā parastais tērauds, kas sāk liekties un deformēties jau aptuveni pie 400 grādiem. Kas padara šo materiālu tik izturīgu? Atbilde slēpjas ļoti stiprajās ķīmiskajās saitēs starp atomiem, kā arī cieši sakārtotajā iekšējā struktūrā. Šīs īpašības ļauj tam darboties uzticami pat augstas temperatūras vidē, piemēram, rūpnīcu krāsnīs vai reaktīvā dzinēja sastāvdaļās, kur citi materiāli izgāztos. Pētījums, kas publicēts Ain Shams Engineering Journal pagājušogad, parādīja arī kaut ko interesantu. Pēc 500 nepārtrauktu stundu pavadīšanas svelmainās 1000 grādu temperatūrā šie keramikas materiāli saglabāja vairāk nekā 90% no savas sākotnējās lieces izturības. Šāda izturība pierāda, ka tie spēj izturēt nopietnu termisko slogu, neatkrišķojoties laika gaitā.
Šīs termiskās īpašības padara silīcija nitrīdu par būtisku komponentu jetdzinēju daļām, kas nepārtraukti darbojas virs 800°C. Ar augstu ātrumu apstrādājot, materiāls samazina siltuma izraisītu vārpstas deformāciju par 40–60% salīdzinājumā ar tēraudu, nodrošinot precīzākus izmērus precīzajā metālapstrādē.
Kā nemetāliska materiāla veids, silīcija nitrīds pretojas galvaniskai korozijai jūras ūdenī, skābainās un sārmainskābās vidēs. Tas uzticami darbojas ķīmisko sūkņu un jūras aprīkojumā bez eļļošanas, samazinot apkopes izmaksas līdz pat 70% jūras vēja elektrostacijās un desalīnācijas sistēmās.
Silīcija nitrīda termiskās izplešanās koeficients (3,2 × 10⁶/°C) cieši atbilst nerūsējošā tērauda koeficientam (17 × 10⁶/°C), minimizējot interfacial spriegumu straujās temperatūras izmaiņās. Šī saderība novērš atslābumu automašīnu turbokompresoru daļās, kas pakļautas biežām termiskām svārstībām.
Kad runa ir par materiālu zinātni, silīcija nitrīds pārspēj parasto tēraudu vairākos svarīgos aspektos un novērš daudzas problēmas, ar kurām saskārās tradicionālie keramikas materiāli. Materiāls ir arī daudz vieglāks — aptuveni 3,2 grami uz kubikcentimetru salīdzinājumā ar tērauda ievērojamiem 7,8 gramiem. Tas padara keramikas rullītspogrieņus īpaši piemērotus augstas ātruma mašīnām, jo tie samazina traucējošās centrbēdzes spēkus aptuveni par divām trešdaļām. Vēl labāk — šie keramikas komponenti turpina darboties normāli līdz temperatūrām tuvu 1000 grādiem pēc Celsija. Tas ir tālu aiz tā, ko var izturēt tērauds, kurš sāk zaudēt izturību jau pie aptuveni 300 grādiem. Ja ņemam vērā izturību pret plaisu veidošanos, mūsdienīgs silīcija nitrīds pat sasniedz dažu augstas kvalitātes tērauda sakausējumu pretestības līmeni. Saskaņā ar pēdējā gada tribologu ekspertu publicētajiem pētījumiem, iekārtas, kas izmanto šos modernos keramikas materiālus, pastāvīgas ekspluatācijas režīmā izdilst gandrīz trīs reizes ilgāk.
Lai gan silīcija nitrīda gultņi ir par 30–50% dārgāki sākotnēji, to ilgmūžība ļoti agresīvos apstākļos (3–5 reizes garāka) rezultātā ekspluatācijas izmaksas visā kalpošanas laikā ir par 40% zemākas. 2024. gada ražošanas analīze parādīja, ka pusevadītāju ražotnēs gultņu nomaiņas dēļ zaudētie darba stundu apjomi gadā samazinājās par 120 stundām pēc hibrīdo keramisko gultņu ieviešanas, sasniedzot ieguldījumu atdeves termiņu 18 mēnešos.
Jaunas perspektīvas ietver ūdeņraža degvielas elementu kompresorus un mākslīgo pavadoņu reakcijas riteņus, kur elektriskā izolācija un tukšuma vide ir būtiska. Pēdējie precīzās inženierijas prognozējumi paredz 25 % gadu griezumā pieaugumu šajos specifiskajos tirgos līdz 2030. gadam.
EV ražotāji iekļauj silīcija nitrīda rullītspuldzes 800 V vilkmes dzinēju vārpstās, izmantojot to nemagnētiskās īpašības, lai samazinātu elektromagnētisko traucējumu. Vēja enerģijas ražotāji ziņo par 12% efektivitātes pieaugumu tiešās piedziņas ģeneratoros, izmantojot eļļošanas brīvas keramikas rullītspuldzes, kas izturīgas pret sālsūdens koroziju.
Izstrādāta gāzes spiediena sintēze tagad sasniedz 99,5% teorētisko blīvumu ražošanai piemērotos komponentos, samazinot pēcapstrādes nepieciešamību par 35%. Šie sasniegumi novērš vēsturiskās viendabīguma problēmas un atbalsta mērogojamu ražošanu, kas agrāk bija ierobežota tikai ar tērauda rullītspuldzēm.
EN
