เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์มีการใช้งานอะไรบ้าง?

  ซิลิคอนไนไตรด์ เป็นสารประกอบอนินทรีย์ที่มีสูตรทางเคมีคือ Si₃เอ็น₄ซิลิคอนไนไตรด์ (Si3N4) ไม่ละลายในน้ำ มีน้ำหนักโมเลกุล 140.283 และมีสีเทาหรือเทาขาว จัดอยู่ในกลุ่มสารประกอบที่ไม่ละลายที่อุณหภูมิสูง ไม่มีจุดหลอมเหลว และทนต่อการคืบตัวที่อุณหภูมิสูงได้ดี ความสามารถในการละลายจำกัดอยู่เฉพาะในกรดไฮโดรฟลูออริกและกรดฟอสฟอริกที่ร้อน เนื่องจากไม่ทำปฏิกิริยากับกรดอนินทรีย์อื่นๆ จึงแสดงให้เห็นถึงความต้านทานการกัดกร่อนสูง ซิลิคอนไนไตรด์ (Si3N4) มีอยู่ 3 รูปแบบผลึก ได้แก่ เฟส α, β และ γ เฟส α และ β เป็นรูปแบบที่พบได้บ่อยที่สุดของ Si3N4 และสามารถสังเคราะห์ได้ที่ความดันบรรยากาศ เฟส γ สามารถได้มาภายใต้สภาวะความดันสูงและอุณหภูมิสูงเท่านั้น โดยมีความแข็งที่สามารถสูงถึง 35 GPa

1.เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์ส

• วิธีการผลิตเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์:

วิธีการผลิตผลิตภัณฑ์เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์มีสองวิธี ได้แก่ วิธีการเผาผนึกแบบปฏิกิริยา และวิธีการเผาผนึกแบบอัดร้อน วิธีการเผาผนึกแบบปฏิกิริยาเกี่ยวข้องกับการขึ้นรูปส่วนผสมของผงซิลิกอนหรือผงซิลิกอนที่ผสมกับ ผงซิลิกอนไนไตรด์ ตามวิธีการผลิตเซรามิกทั่วไป จากนั้นจึงทำการไนไตรด์เบื้องต้นในเตาไนไตรด์ที่อุณหภูมิระหว่าง 1150 ถึง 1200°C หลังจากได้ความแข็งแรงในระดับหนึ่งแล้ว สามารถนำไปแปรรูปทางกลด้วยเครื่องมือกล จากนั้นจึงทำการไนไตรด์เพิ่มเติมที่อุณหภูมิระหว่าง 1350 ถึง 1450°C เป็นเวลา 18 ถึง 36 ชั่วโมง จนกระทั่งเปลี่ยนเป็นซิลิคอนไนไตรด์อย่างสมบูรณ์ ผลิตภัณฑ์ที่ผลิตด้วยวิธีนี้จะมีขนาดที่แม่นยำและปริมาตรคงที่ วิธีการเผาผนึกด้วยการอัดร้อนเกี่ยวข้องกับการอัดผงซิลิคอนไนไตรด์ที่มีสารเติมแต่งในปริมาณเล็กน้อย (เช่น MgO, Al)₂เดอะ₃, MgF₂อัลเอฟ₃หรือ เฟ₂เดอะ₃ภายใต้สภาวะความดันที่เกิน 19.6 MPa และอุณหภูมิระหว่าง 1600 ถึง 1700°C โดยทั่วไป ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากวิธีการเผาผนึกแบบอัดร้อนจะมีค่าความหนาแน่นสูงกว่าและประสิทธิภาพดีกว่าเมื่อเทียบกับผลิตภัณฑ์ที่ทำโดยวิธีการเผาผนึกแบบปฏิกิริยา

• ข้อดีของเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์:

ก. ความทนทานต่อความร้อนภายใต้ความดันปกติ Si₃เอ็น₄ ไม่มีจุดหลอมเหลว สลายตัวโดยตรงที่อุณหภูมิประมาณ 1870°C ทนต่อการออกซิเดชันได้ถึง 1400°C และใช้งานจริงได้ถึง 1200°C (ความแข็งแรงเชิงกลจะลดลงหลังจาก 1200°C)
ข. มีความแข็งแรงเชิงกลสูง ความแข็งใกล้เคียงกับคอรันดัม และทนทานต่อการสึกหรอโดยมีคุณสมบัติหล่อลื่นในตัว ความแข็งแรงดัดงอที่อุณหภูมิห้องสูงถึง 980 MPa ซึ่งเทียบได้กับเหล็กอัลลอย และความแข็งแรงสามารถคงอยู่ได้จนถึง 1200° โดยไม่ลดลง
ค. มีเสถียรภาพทางความร้อนสูง สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ การนำความร้อนสูง ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้ดี โดยไม่เกิดรอยแตกเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงจากอุณหภูมิห้องถึง 1000°C
ง. คุณสมบัติทางเคมีคงที่ ทนต่อการกัดกร่อน ยกเว้นกรดไฮโดรฟลูออริกจะไม่ทำปฏิกิริยากับกรดอนินทรีย์อื่นๆ สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) ที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า 30% ก็สามารถต้านทานการกัดกร่อนของสารอินทรีย์หลายชนิดได้ ไม่ทำให้โลหะหลอมเหลวที่ไม่ใช่เหล็กหลายชนิดเปียก (โดยเฉพาะอะลูมิเนียมเหลว) สามารถทนต่อการฉายรังสีได้สูง ไม่ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในบรรยากาศแห้งที่อุณหภูมิ 800°C และเริ่มก่อตัวเป็นฟิล์มซิลิคอนออกไซด์บนพื้นผิวเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 800°C สามารถคงสภาพได้ถึง 1400°C และโดยพื้นฐานแล้วยังคงเสถียร
e. ความหนาแน่นต่ำ ความถ่วงจำเพาะน้อย เพียง 2/5 ของเหล็ก และเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดี
f. เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์ยังมีคุณสมบัติการส่งผ่านคลื่นไมโครเวฟที่ดี คุณสมบัติทางไดอิเล็กทริก และความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง และสามารถใช้เป็นเรโดมเรดาร์สำหรับเครื่องบินได้

2. การประยุกต์ใช้เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์

• สาขาการบินและอวกาศ: เซรามิกไนไตรด์ซิลิคอนทนความร้อนและคงความแข็งแรงและความแข็งแกร่งสูงแม้ที่อุณหภูมิ 1400°C เซรามิกเสริมแรงด้วยเส้นใยต่อเนื่องสามารถนำไปใช้กับชิ้นส่วนกังหัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในใบพัดเซรามิกของเครื่องยนต์ขนาดเล็ก วงแหวนรอบนอกของกังหัน และแบริ่งอากาศ นอกจากนี้ เซรามิกไนไตรด์ซิลิคอนยังมีความหนาแน่นต่ำกว่า เพียง 41% ของแบริ่งเหล็ก ซึ่งช่วยลดน้ำหนักของเครื่องยนต์อากาศยานและลดการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

• วิศวกรรมเครื่องกล: เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์มีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ หล่อลื่นตัวเอง มีความแข็งแรงสูง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ การเปลี่ยนแปลงปริมาตรตามอุณหภูมิต่ำ ป้องกันการติดขัดของลูกบอลหรือแหวนซีลได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทนต่อสภาพแวดล้อมการทำงานที่รุนแรง และสามารถนำไปผลิตเป็นวาล์วลูกบอล ตัวปั๊ม แหวนซีล ตัวกรอง ชิ้นส่วนแลกเปลี่ยนความร้อน ตัวพาตัวเร่งปฏิกิริยาแบบตรึง ฯลฯ อายุการใช้งานของลูกบอลแบริ่งก็สูงกว่าแบริ่งทั่วไป แต่ต้นทุนการผลิตก็ค่อนข้างสูง ซิลิกอนไนไตรด์มีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำและใช้ในแบริ่งอุณหภูมิสูง อุณหภูมิการทำงานสามารถสูงถึง 1200°C ซึ่งสูงกว่าแบริ่งโลหะผสมทั่วไป 2.5 เท่า และความเร็วในการทำงานสูงกว่าแบริ่งทั่วไป 10 เท่า ปัจจุบัน แบริ่งเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์ส่วนใหญ่ใช้ใน 4 ด้าน ได้แก่ (1) แบริ่งความเร็วสูง (2) แบริ่งอุณหภูมิสูง (3) แบริ่งสุญญากาศ และ (4) แบริ่งกันสนิม
• การบดละเอียดพิเศษ: ซิลิคอนไนไตรด์มีความแข็งสูงเป็นอันดับสองรองจากเพชรและคิวบิกโบรอนไนไตรด์ เนื่องจากมีการใช้งานน้อยมาก จึงช่วยลดการสึกหรอของตัวกลางในการบดและการปนเปื้อนของวัสดุขัดถู ซึ่งเอื้อต่อการได้ผงละเอียดพิเศษที่มีความบริสุทธิ์สูงขึ้น ลูกบอลเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์เป็นผลิตภัณฑ์เซรามิกที่มีความแม่นยำสูงซึ่งเผาผนึกที่อุณหภูมิสูงในสภาพแวดล้อมที่ไม่เกิดออกซิเดชัน มีความทนทานต่อกรดและด่าง ทนต่อการกัดกร่อน และคุณลักษณะอื่นๆ ไม่เพียงแต่สามารถใช้ในน้ำทะเลได้เป็นเวลานานเท่านั้น แต่ยังมีคุณสมบัติเป็นฉนวนและหล่อลื่นตัวเองได้ดีเยี่ยม จึงสามารถใช้ในสภาพแวดล้อมที่ปราศจากสารหล่อลื่นและมีมลพิษสูงได้ ที่อุณหภูมิ 800°C ความแข็งแรงและความแข็งของลูกบอลเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์แทบจะไม่เปลี่ยนแปลง และน้ำหนักเกือบ 1/3 ของเหล็กแบริ่ง ด้วยเหตุนี้ ลูกบอลเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์จึงไม่เพียงแต่เป็นลูกบอลที่นิยมใช้สำหรับแบริ่งเซรามิกและแบริ่งเซรามิกไฮบริดเท่านั้น แต่ยังมีบทบาทสำคัญในด้านการบดละเอียดพิเศษอีกด้วย
• วัสดุในเครื่องยนต์สันดาปภายในสำหรับรถยนต์: ปัจจุบัน วัสดุที่ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนทนความร้อนของเครื่องยนต์สันดาปภายในคือวัสดุทนความร้อนที่มีส่วนประกอบของนิกเกิล โดยมีอุณหภูมิใช้งานประมาณ 1000°C หากใช้วัสดุเซรามิก อุณหภูมิใช้งานสามารถเพิ่มขึ้นได้ถึง 1300°C ซึ่งจะเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ได้ประมาณ 30% เซรามิกมีความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิสูงและนำความร้อนได้ดี ซึ่งสามารถยืดอายุการใช้งานของเครื่องยนต์ได้ การใช้เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์ที่มีฉนวนไฟฟ้าที่ดีและทนต่อความร้อนและความเย็นได้อย่างรวดเร็ว สามารถนำมาใช้ทำหัวเทียนได้ หัวเทียนเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์ร้อนขึ้นถึง 1000°C ได้เร็วกว่าหัวเทียนโลหะ มีอุณหภูมิใช้งานสูง การนำมาใช้ในการสตาร์ทรถยนต์จะช่วยลดเวลาในการสตาร์ทเครื่องยนต์ได้อย่างมาก และสามารถสตาร์ทรถได้อย่างรวดเร็วในสภาพอากาศหนาวเย็น