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“黑色陶瓷钢”----氮化硅陶瓷的应用盘点
2019年08月19日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:450
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氮化硅陶瓷是结构陶瓷家族中综合性能最为优良的一类材料,被认为是最具有发展应用前景的高温结构陶瓷材料之一。氮化硅陶瓷力学性能好,化学性质稳定,并且具有较好的耐磨损性和一定的自润滑性能。因此,氮化硅陶瓷广泛应用于高性能陶瓷轴承、绝热零件、干式切削刀具、散热基板上。今天小编对这些应用方向做一个盘点,并重点介绍其颇受关注的领域。

精密陶瓷轴承

在高性能轴承领域,氮化硅陶瓷一直被寄予厚望。与一般的轴承钢相比,氮化硅轴承密度只有轴承钢的40%左右,用作滚动体时,轴承旋转时受转动体作用产生的离心力减轻,因而有利于高速旋转。除了轻质以外,高强也是其特点,氮化硅陶瓷的弹性模量是一般轴承钢的1.5倍,经过热压烧结制备的氮化硅陶瓷,在室温下,抗弯强度能够达到800-1050 MPa,断裂韧性可达到6-7 MPa·m1/2

1 中材高新生产的氮化硅轴承及滚动体产品(图片来源:中材高新)

除了轻质高强的特性外,寿命问题对于轴承而言是一个极其重要的指标。氮化硅轴承耐高温耐腐蚀,具有极好的化学稳定性。轻质的特点,使得其高速转动时候离心力显著降低,大大减小对轴承外圈的压力和摩擦力矩,试验表明,混合陶瓷轴承与同规格同精度等级的钢轴承相比,其寿命提高3-6倍。

在大功率风力发电领域,发电设备维护难度大,采用低磨损,具有自润滑性的氮化硅滚珠轴承,使维护成本大大降低,让风力发电设备的使用寿命更加长久,性能更加稳定。图2为应用于风力发电设备上的大尺寸氮化硅轴承。

2 大尺寸氮化硅陶瓷轴承球是大功率风力发电机的关键零件

除了风力发电设备,精密陶瓷轴承已在电镀设备、高速机床、医疗装置、化工设备、低温工程等精密传动系统获得越来越多的应用,而氮化硅陶瓷作为轴承球材料可以说是氮化硅陶瓷生产技术的制高点,也是国际上技术竞争与垄断最为显著的领域。

国际上研究氮化硅陶瓷陶瓷轴承及轴承球较为领先的公司有日本精工株式会社(NSK)、日本光洋精工株式会社(KOYO)、瑞典的斯凯孚(SKF)以及德国的舍弗勒(FAG)等公司。国内而言,如中材高新氮化物陶瓷有限公司、北京中兴实强陶瓷轴承有限公司和江苏金盛陶瓷科技有限公司等也已经具备了批量生产氮化硅陶瓷轴承及轴承球的能力。

3 山东工陶院大门(1986年)。山东工陶院是国内最早开展氮化硅研究的单位,中材高新氮化物公司继承了山东工业陶瓷研究设计院与中材人工晶体研究院多年来的研究成果和优势资源,在1996年建成国内首条年产80万粒氮化硅陶瓷轴承球中试生产线。

自润滑刀具

目前,切削技术向干式切削方向发展,干式切削不需要使用传统的切削液,可以省去储存、处理切削液的费用,并且杜绝切削液排放对环境的污染。在干式切削中,自润滑刀具成为其发展的关键技术。氮化硅陶瓷具有自润滑特性、低摩擦系数的特点使之成为自润滑刀具材料的理想材料。试验表明,当氮化硅的表面精加工至0.05μm~0.025μm时,摩擦系数可达0.01,在干摩擦条件性耐磨性良好。

3 上海华昇科技生产的氮化硅纯陶瓷铣刀(图片来源:华昇科技)

陶瓷散热基板

目前,市场上主要流行使用的覆铜陶瓷基板材料有两种:Al2O3和AlN。在覆铜过程中,因为金属铜和陶瓷材料的热膨胀系数有较大的差别,所以在高温条件下的覆铜之后,会在陶瓷基板中产生较大的附加热应力。并且,由于电子封装基板自身的周期性使用特性,在频繁的升温和降温过程中也会陆续地在陶瓷基板上产生热应力。因此经过漫长时间的使用以后,在基板内部很容易有微小的裂纹产生和扩展,故很容易让封装基板产生破裂从而失效。针对以上问题,氮化硅陶瓷基板不仅具有高导热的特点,并且其强度、韧性等力学性能指标显著高于传统的氮化铝和氧化铝,是极具应用前景的散热基板材料。

4 陶瓷散热基板性能比较

以上三大领域是目前氮化硅陶瓷最为瞩目的应用方向,除此之外,氮化硅陶瓷作为绝缘零件、陶瓷管等结构零部件也在各个细分领域发挥着重要作用。接下来仅简单介绍。

绝缘零件

氮化硅陶瓷制成的绝缘环、隔热罩、绝缘套等产品,广泛应用于多晶硅反应还原炉,不仅耐高温,还可延长设备寿命,凸显了先进氮化硅陶瓷在能源环境领域的特有价值。

5 多晶硅还原炉上的氮化硅绝缘套、绝缘环

氮化硅陶瓷管

在铸铝行业各种设备零部件中,氮化硅陶瓷可以用于升液管、加热器保护管、转轴转子以及热电偶保护管。

6 铸铝行业的各类设备零件由于高温高腐蚀环境,均需要氮化硅陶瓷管的“保护”

小结

氮化硅具有“黑色陶瓷钢”的美誉,具有极高的力学性能,良好的散热性能,自润滑性,耐疲劳性。在其诸多应用方向中,氮化硅陶瓷作为轴承球、切削刀具、散热基板的研究与应用最为受到工业界和实验室的关注,相信其凭借独特性能在未来仍有广阔的发展空间。

参考文献

高性能氮化硅陶瓷的制备与应用新进展,景德镇陶瓷大学,吴庆文,胡丰,谢志;清华大学,谢志鹏。

氮化硅轴承球滚动接触疲劳性能的研究现状,上海材料研究所,祁海,张培志,郭方全。

By:火宣


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