Các ứng dụng của Silicon Nitride

Các ứng dụng

Nhìn chung, vấn đề chính với các ứng dụng của silicon nitride không phải là hiệu suất kỹ thuật, mà là chi phí. Khi chi phí giảm, số lượng ứng dụng sản xuất tăng tốc.

Công nghiệp ô tô

Một trong những ứng dụng chính của silicon nitride thiêu kết là trong ngành công nghiệp ô tô làm vật liệu cho các bộ phận động cơ. Những bao gồm, động cơ diesel, glowplugs cho khởi động nhanh hơn; buồng trước khi đốt (buồng xoáy) cho lượng khí thải thấp hơn, khởi động nhanh hơn và tiếng ồn thấp hơn; turbo tăng áp để giảm độ trễ động cơ và khí thải. Trong động cơ đánh lửa, silicon nitride được sử dụng cho các cánh tay rocker để mài mòn thấp hơn, tuabin tăng áp cho quán tính thấp hơn và độ trễ động cơ ít hơn, và trong các van điều khiển khí thải để tăng tốc. Ví dụ về mức độ sản xuất, ước tính có hơn 300.000 động cơ tăng áp silicon nitride thiêu kết được sản xuất hàng năm.

Vòng bi

Bộ phận mang Si3N4

Vòng bi silicon nitride là cả vòng bi gốm đầy đủ và vòng bi lai gốm với bóng trong gốm và dòng bằng thép. Gốm silicon nitride có khả năng chống sốc tốt so với các loại gốm khác. Do đó, vòng bi làm bằng gốm silicon nitride được sử dụng trong vòng bi hiệu suất. Một ví dụ điển hình là việc sử dụng vòng bi silicon nitride trong các động cơ chính của Tàu con thoi của NASA.

Vì vòng bi silicon nitride cứng hơn kim loại, điều này làm giảm tiếp xúc với rãnh vòng bi. Điều này dẫn đến ma sát ít hơn 80%, tuổi thọ dài hơn từ 3 đến 10 lần, tốc độ cao hơn 80%, trọng lượng ít hơn 60%, khả năng hoạt động với chế độ ít bôi trơn, chống ăn mòn cao hơn và nhiệt độ hoạt động cao hơn so với vòng bi kim loại truyền thống. Bóng silicon nitride có trọng lượng ít hơn 79% so với bi cacbua vonfram. Vòng bi silicon nitride có thể được tìm thấy trong vòng bi ô tô cao cấp, vòng bi công nghiệp, tua-bin gió, xe thể thao, xe đạp, trượt patin và ván trượt. Vòng bi silicon nitride đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng nơi ăn mòn, điện trường hoặc từ trường cấm sử dụng kim loại. Ví dụ, trong các đồng hồ đo dòng thủy triều, nơi mà sự tấn công của nước biển là một vấn đề, hoặc trong những người tìm kiếm điện trường.

Si3N4 lần đầu tiên được chứng minh là mang ưu việt vào năm 1972 nhưng không đạt được sản lượng cho đến gần năm 1990 vì những thách thức liên quan đến việc giảm chi phí. Kể từ năm 1990, chi phí đã giảm đáng kể do khối lượng sản xuất tăng lên. Mặc dù vòng bi Si3N4 vẫn đắt hơn 2 lần 5 lần so với vòng bi thép tốt nhất, hiệu suất và tuổi thọ vượt trội của chúng đang chứng minh sự chấp nhận nhanh chóng. Khoảng 15 - 20 triệu vòng bi Si3N4 được sản xuất tại Mỹ vào năm 1996 cho các máy công cụ và nhiều ứng dụng khác. Tăng trưởng được ước tính khoảng 40% mỗi năm, nhưng thậm chí có thể cao hơn nếu vòng bi gốm được chọn cho các ứng dụng tiêu dùng như giày trượt và ổ đĩa máy tính.

Vật liệu nhiệt độ cao

Silicon nitride từ lâu đã được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao. Đặc biệt, nó được xác định là một trong số ít vật liệu gốm nguyên khối có khả năng tồn tại sau cú sốc nhiệt nghiêm trọng và độ dốc nhiệt được tạo ra trong động cơ tên lửa hydro / oxy. Để chứng minh khả năng này trong một cấu hình phức tạp, các nhà khoa học của NASA đã sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh tiên tiến để chế tạo thành phần buồng đốt / vòi phun một mảnh, đường kính một inch. Máy đẩy được thử lửa nóng bằng nhiên liệu hydro / oxy và tồn tại qua năm chu kỳ bao gồm chu kỳ 5 phút đến nhiệt độ vật liệu 1320 ° C.

Trong năm 2010, silicon nitride đã được sử dụng làm vật liệu chính trong các bộ đẩy của tàu thăm dò không gian JAXA Akatsuki .

Y khoa

Silicon nitride có nhiều ứng dụng chỉnh hình. Vật liệu này cũng là một thay thế cho PEEK (polyether ether ketone) và titan, được sử dụng cho các thiết bị hợp nhất cột sống. Đó là bề mặt kỵ nước, vi ống của silicon nitride góp phần tăng cường độ bền, độ bền và độ tin cậy của vật liệu so với PEEK và titan.

Dụng cụ gia công và cắt kim loại

Ứng dụng chính đầu tiên của Si3N4 là công cụ mài mòn và cắt. Số lượng lớn, nitrat silicon nguyên khối được sử dụng làm vật liệu cho các công cụ cắt, do độ cứng, ổn định nhiệt và khả năng chống mài mòn. Nó đặc biệt được khuyến nghị để gia công gang tốc độ cao. Độ cứng nóng, độ bền gãy và khả năng chống sốc nhiệt có nghĩa là silicon nitride thiêu kết có thể cắt hợp kim gang, thép cứng và niken với tốc độ bề mặt nhanh hơn tới 25 lần so với các vật liệu thông thường như cacbua vonfram.

Công dụng của Si3N4 công cụ cắt đã có tác động mạnh mẽ đến sản lượng sản xuất. Ví dụ, phay mặt bằng gang xám với chèn silicon nitride tăng gấp đôi tốc độ cắt, tăng tuổi thọ công cụ từ một phần lên sáu phần trên mỗi cạnh và giảm 50% chi phí chèn trung bình so với các công cụ cacbua vonfram truyền thống.

Thiết bị điện tử

Ví dụ về quá trình oxy hóa silicon cục bộ thông qua mặt nạ Si3N4

Silicon nitride thường được sử dụng làm chất cách điện và hàng rào hóa học trong sản xuất các mạch tích hợp, để cách ly điện với các cấu trúc khác nhau hoặc làm mặt nạ khắc trong micromachining số lượng lớn. Là một lớp thụ động cho vi mạch, nó vượt trội hơn so với silicon dioxide, vì nó là một rào cản khuếch tán tốt hơn đáng kể chống lại các phân tử nước và ion natri, hai nguồn ăn mòn và mất ổn định chính trong vi điện tử. Nó cũng được sử dụng làm chất điện môi giữa các lớp polysilicon trong các tụ điện trong các chip tương tự.


Công nghệ đúc hẫng Si3N4 được sử dụng trong kính hiển vi lực nguyên tử

Silicon nitride được gửi bởi LPCVD chứa tới 8% hydro. Nó cũng trải qua ứng suất mạnh mẽ, có thể làm nứt màng dày hơn 200nm. Tuy nhiên, nó có điện trở suất và cường độ điện môi cao hơn so với hầu hết các chất cách điện thường có trong chế tạo vi mô (lần lượt là 1016 Ω · cm và 10 MV / cm).

Không chỉ silicon nitride, mà cả các hợp chất ternary khác nhau của silicon, nitơ và hydro ( SiNxHy ) được sử dụng các lớp cách điện. Chúng được lắng đọng trong huyết tương bằng các phản ứng sau:



2 SiH4 (g) + N2 (g) → 2 SiNH (s) + 3 H2 (g)

SiH4 (g) + NH3 (g) → SiNH (s) + 3 H2 (g)

Những màng SiNH này có ứng suất kéo ít hơn nhiều, nhưng tính chất điện kém hơn (điện trở suất 106 đến 1015 Ω · cm và cường độ điện môi 1 đến 5 MV / cm).  Những màng silicon này cũng ổn định nhiệt đến nhiệt độ cao trong điều kiện vật lý cụ thể. Silicon nitride cũng được sử dụng trong quy trình xerographic như là một trong những lớp của trống ảnh. Silicon nitride cũng được sử dụng làm nguồn đánh lửa cho các thiết bị gas trong nước. Do đặc tính đàn hồi tốt, silicon nitride, cùng với silic và silic oxit, là vật liệu phổ biến nhất cho công nghệ đúc hẫng - các yếu tố cảm biến của kính hiển vi lực nguyên tử.