Силикон нитрид нь өндөр хүчдэлийн нөхцөлд ажиллах үед маш сайн механик шинж чанараараа ялгардаг. Жишээ нь, хугарлын тэсвэрт чадал нь ойролцоогоор 6-8 МПа√м бөгөөд энэ нь ScienceDirect-ийн өнгөрсөн жилийн мэдээллээр аллюминийн керамикаас гурван дахин илүү. Энэ материал яагаад ингэж тэсвэртэй байдаг вэ? Энэ нь доторх бета фазын кристал бүтцэд голомтой. Урт сийрэгүүд нь тоглоомны пазлын хэсгүүд шиг хоорондоо холбогдож, материалд давтан ачаалал өгөх үед жижигхэн трещинууд тархахад хүндрэлтэй болгодог.
Материалын нугаламтгай бат бөхийн хүч нь 1,000 МPа-д хүрч, циркониум (650 МPа) болон цахиур карбид (550 МPа)-ийнхаас давна. Эдгээртэй харьцуулахад цахиур нитрид нь 800°C температурт өрөөний температурын бат бөхийн 85%-ийг хадгалж чаддаг бөгөөд термик стрессийн симуляциар баталгаажсан.
Энэ гайхалтай хатуу байдлыг гурван гол хүчин зүйл тодорхойлж байна:
Дэвшилтэт спекерлэх арга техник нь жижиг шороотой матриц (1–3 мкм) үүсгэж, том β-фазын кристалуудаар бэхжүүлдэг. Энэ “өөрөө бэхжүүлэгт” бүтэц нь ачааллын тархалтыг сайжруулж, цахилгаан станцын хувьд цагираган тулгуур нь сталь тулгууртай харьцуулахад 20%-иар илүү өндөр Херцийн хүчдэлийг тэсвэрлэх боломжийг олгодог.
Цахилгаан шохойн ньэгдэл нь цикл хэвийн стресс 4 ГПа-аас давж байхад ч бүтэн бүслэгдээ үлддэг цахилгаан эсэргүцлийн (RCF) эсэргүцэл үзүүлдэг. 2024 онд нийтлэгдсэн судалгаа нь цахилгаан шохойн найрлага нь ган шингэнтэй харьцуулахад дотор муруй үүсэх магадлалыг 40%-иар бууруулдаг талаар дурдсан байдаг. Энэ илрэл нь стрессын цикл үед энерги илүү үр дүнтэй задалдаг ковалент холбоосноос үүдэлтэй. Гадаргуу ба бүрхүүл технологи энэ илрэл нь стрессын цикл үед энерги илүү үр дүнтэй задалдаг ковалент холбоосноос үүдэлтэй.
Агаарын нисэх тоног, аж үйлдвэрийн хамтрагчдийн хамтын туршилтууд нь цахилгаан шохойн хольцтой пулсны хувьд 60% -иар үйлчилгээний насны нэмэгдэлтэй байна. Эдгээр пулснууд нь хэмжигдэхүйц элэгдэлгүйгээр цахилгаан шохойн төхөөрөмжийн зураглал дээр 500,000-с дээш ачааллын мөчлөгийг тэсвэрлэж, гангуудын төлөөлөгчидтэй харьцуулахад 3:1-ийн харьцаагаар давуу талтай байв. Талын өгөгдлүүд нь радиал ачаалал хэлбэлзэх үед ялангуяа засвар үйлчилгээний давтамж буурсаныг баталсан.
Цахилгаан шохойн нэгэн төрлийн микробүтэц нь стрессийн концентрацын цэгүүдийг хамгийн бага болгох ба цирконийн суурьт керамикаас харьцуулахад спалингийн гэмтэл 75% буурахад хүргэдэг. Гэнэт хугарахаас илүү удаан хугацаанд элэгдэх шилжих нь урьдчилан сэргийлэх засвар үйлчилгээг боломж болгодог. Гадаргуугийн профилометрийн шалгалтаар хоригдолтой нөхцөлд 1000 цагийн дараа материал алдалт 85% бага байв.
Виккерсын хатуургийн зэрэг нь ойролцоогоор 15 ГПа буюу хатуужсан гангаас бараг хоёр дахин их бөгөөд цахилгаан эсэргүүцэл, агшилтын эсэргүүцлийг үр дүнтэй тусгаарлана. Ху dryаж ажиллах 400°C температуртай тестэнд хэмжээ 0.02 мм³/Нм-ээс доош үлдсэн тул шингэнгүй ажиллагаанд тохиромжтой. Хатуу чанар болон бат бөх чанарын тэнцвэр нь ганлаг шингэний хувьд тогтоогдсон орчинд итгэл үнэмшилтэй ажиллах боломжийг олгоно.
Силикон нитридийн нягт нь ойролцоогоор куб сантиметрд 3.2 грамм байдаг бөгөөд энэ нь куб см-д 7.8 грамм жинтэй цайрын харьцаагаар төв зүгээр чиглэсэн хүчийг хамгийн ихдээ 60 хувиар бууруулдаг. Энэ нь деталууд эргэлтийн хурд 1.5 сая DN нэгж (диаметр болон минутанд эргэх тооны үржвэр) илүү байхад ч гэсэн гладко ажиллах боломжийг олгодог. Энэ давуу тал нь онгоцны турбины вал, эмнэлгийн багажаны жижиг гэхдээ маш чухал шүргэгдэхүүн зэрэг зүйлсэд тодорхой харагддаг. Цайрын пинал шигшүүрүүд удаан хугацаанд инерцийн стрессыг тэсвэрлэж чадахгүй тул хурдан гэмтдэг. Материал судлаачдын судалгаа нь индустрийн турбозаргалтуурын үед эдгээр багасгасан стресс нь засвар үйлчилгээний хугацааг 12-18 хувиар уртасгадагийг харуулсан. Одоогийн үед материал солих үйлдвэрлэгчид яагаад ийм олон байгааг ойлгоно.
| Материал | Данс (г/см³) | 50к эрг/мин-д төв зүгээр чиглэсэн стресс | Хувийн үндэс |
|---|---|---|---|
| Цахиурын нитрид | 3.2 | 220 МПа | 35°C-ийн нэмэгдэл |
| Ган | 7.8 | 580 МПа | 82°C-ийн нэмэгдэл |
3.4:1 нягтшилын харьцаа нь ачааллын багтаамжийг алдагдуулахгүйгээр хөнгөн жинтэй лафтын цуглуулгыг боломжруулдаг бөгөөд энэ нь массыг бууруулах замаар 11% илүү хурдасгалд хүрч чаддаг Формула 1-ийн гибрид хөдөлгүүрийн системд шийдвэрчиг үүрэг гүйцэтгэдэг.
Инерцийн хүч бага учраас цахиур нитридээр хийсэн лафтуудын эргэлтийн хурд харьцуулагдаж буй ган лафтуудаас турбины хувьд ойролцоогоор 25-40 хувиар илүү өндөр байдаг. Олон Улсын Солирдог Эрчим Хүчний Агентлагийн 2023 оны тоо мэдээллээр ветроэлектростанцын үйлдвэрийн гол тэнхлэгт энергийн алдагдал 6-9 хувиар буурсан байна. Үйлдвэрлэлийн салбар ч гэсэн энэ өөрчлөлтийг анзаарсан. Цугами, Окума зэрэг нарийн механизм үйлдвэрлэдэг компаниуд шпиндель хөдөлгүүртээ керамик лафт ашиглаж эхэлснээс хойш өндөр хурдны CNC машинд боловсруулалтын мөчлөгийн хугацаа дунджаар 15%-иар буурсан. Эдгээр сайжруулалтууд нь индустрийн хэрэглээнд юу боломжтойг дахин тодорхойлж эхэлсэн.
DN Утга: Үйлдвэрийн стандарт метрик, энд DN = Порын диаметр (мм) × Эргэлтийн хурд (rpm)
Силикон нитрид нь температур 1000 хэмийг давах үед маш сайн ажиллах бөгөөд энгийн гангаас илүү дулаан тэсвэртэй байдаг. Учир нь энгийн ган нь зөвхөн 400 хэм орчимд муруйж, деформацид орох бол силикон нитрид илүү өндөр температурт тэсвэртэй байдаг. Энэ материал яагаад ийм хатангид вэ? Хариулт нь атомын хоорондын маш хүчтэй химийн холбоо болон шигшүүртэй дотоод бүтцэд нуугдмал юм. Эдгээр чанарууд нь үйлдвэрийн дулааны печь эсвэл онгоцны хөдөлгүүрийн хэсэг шиг өндөр температуртай орчинд бусад материалын ажиллах боломжгүй болох үед ч гэсэн найдвартай ажиллах боломжийг олгодог. Өнгөрсөн жилийн Ain Shams инженерийн сэтгүүлд хийсэн судалгаанд сонирхолтой зүйл гарч ирсэн. Эдгээр керамик материалиуд 500 цагийн турш 1000 хэмийн маш их халуунд байсан ч анхны муруйлтын хүчний 90%-иас илүгээ хадгалж чадсан. Ийм тэсвэртэй чанар нь материалыг цагаар хугацаа өнгөрөх тутам задардаггүй, халууны хүнд хүчлэгт тэсвэртэй байлгаж чадна гэдгийг баталж өгдөг.
Эдгээр дулаан шинж чанар нь силикон нитридийг 800°C-аас дээш температурт тасралтгүй ажилладаг нисдэг онгоцны хөдөлгүүрийн деталуудад үнэмшихэд хувиргаж байна. Хурдан ойролцоо боловсруулах үед энэ материал нь гальваны харьцаагаар харьцуулахад халуун шалтгаантай цахилгаан хөдөлгүүрийн деформацийг 40–60%-иар бууруулдаг бөгөөд нарийвчлалтай металл боловсруулалтанд илүү нарийн зориулалтыг дэмждэг.
Төмөр бус материал болох силикон нитрид нь далайн ус, хүчиллэг, шүлтлэг орчинд гальваник коррозийн эсрэг тэсвэртэй. Энэ нь химийн шахуурга, далайн тоног төхөөрөмжид смазкгүйгээр найдвартай ажиллах боломжийг олгох бөгөөд цахилгаан станцын цахилгаан станц, давсгүйжүүлэх системд 70% хүртэл засвар үйлчилгээний зардлыг бууруулдаг.
Силикон нитриды дулааны задралын коеффициент (3.2 × 10⁶/°C) нержавейкастай ганган (17 × 10⁶/°C) ойролцоогоор тохирч, хурдан температурын өөрчлөлтийн үед зааг дээрх стрессийг хамгийн бага байлгадаг. Энэ нийцэл нь давтан дулааны горимд өртөмтгий автомашинны турбозохион байгуулалтанд суналтыг саатуулдаг.
Материалын шинжлэх ухаанд хайлбар нитрид нь энгийн гангаас илүү дээр бөгөөд уламжлалт керамикийн олон асуудлыг шийдвэрлэдэг. Энэ материал мөн ихэвчлэн хөнгөн байдаг - куб см тутамд зөвхөн ойролцоогоор 3.2 грамм байдаг бол ганых нь хүнд 7.8 грамм юм. Энэ нь керамик дээрэмжийг төв зүрхийн хүчийг ойролцоогоор гуравны хоёроор багасгаж чаддаг тул өндөр хурдтай машин механизмд ашиглахад маш тохиромжтой болгодог. Түүнээс ч илүү сайн зүйл гэвэл эдгээр керамик деталууд 1000 хэм орчим хүртэлх температурт ч ажиллах чадвартай. Энэ нь ган яг л 300 хэм орчимд задарч эхлэхээс хамаагүй ихээр давуу талтай. Хагарал үүсэхэд тэсвэрт чанарын хувьд сүүлийн үеийн цахилгаан нитрид нь зарим чанартай гангийн хайлштай тэнцэх хэмжээний эсэргүүцэлтэй байдаг. Өнгөрсөн жил трибологийн мэргэжилтнүүдийн хийсэн сүүлийн судалгааны дагуу эдгээр дэвшилтэт керамикийг ашигласан машин механизм нь тасралтгүй ажиллах горимд бараг гурван дахин илүү хугацаа ажилладаг.
Цахиагийн нитридээр хийсэн дохиурсын анхны өртөг нь 30–50% илүү байхад ч хатуу нөхцөлд ашиглах үед амьдралын хугацаа нь 3–5 дахин уртасдаг тул эдгээрийн нийт ашиглалтын үеийн засвар, үйлчилгээний зардал 40%-иар буурдаг. 2024 оны үйлдвэрлэлийн шинжилгээ нь хагас дамжуулагчийн үйлдвэрт гибрид керамик дохиур руу шилжсэнээр жилд дохиур солох зогсолтын цаг 120 цагаар буурсан бөгөөд хөрөнгө оруулалтаа 18 сарын дотор бүрэн олсон байна.
Устөрөгчийн түлшний элементийн компрессор болон дагуулын урвалын дугуй шиг шинэ хязгаар нь цахилгааныг тусгаарлах, вакуумтай нийцэх чухал юм. Сүүлийн үеийн нарийвчлалт инженерчлэлийн таамаглалаар эдгээр онцлог зах зээл 2030 он хүртэл жил илүү 25% өсөхөд хүргэх болно.
EV үйлдвэрлэгчид цахилгаан соронзонийн бэрхшээлийг багасгахын тулд 800V хөдөлгүүрийн тэнхлэгт цахилгаан дамжуулагч бус цахиур нитридийн болтны өргийг ашиглаж байна. Шороонд суурилсан турбины үйлдвэрлэгчид шууд хөдөлгүүрт давсны усны коррозид тэсвэртэй, смазкийн шаардлагагүй керамик өргийг ашигласнаар үр ашгийг 12% нэмэгдүүлсэн талаар мэдээлж байна.
Давуу аргаар хийн даралтанд шахах арга нь үйлдвэрлэлийн түвшний детальд онолын нягтын 99.5% хүртэл хүрэх боломжийг олгоод байгаа нь цаашид боловсруулах шаардлагыг 35%-иар бууруулдаг. Эдгээр ахицад өмнө нь зэсний өргийн хязгаартай байсан тогтвортой бус чанарын асуудлуудыг шийдвэрлэж, хэмжээг томруулах боломжийг бий болгодог.
EN
