سیلیسیم نیترید، ماده ای با ویژگی های منحصربفرد

مقدمه

سیلیسیم نیترید دارای دو شکل کریستالوگرافی است که فرم آلفا و بتا نامیده می شوند. هر دوی این فرم کریستالی به صورت هگزاگونال هستند و دارای حجم سلول واحد یکسانی هستند اما فاصله ی بین صفحه ای d در فرم آلفا دو برابر فرم بتاست. فرم آلفای شامل لایه های متوالی فرم بتاست و تصویر آینه ای فرم بتاست. آلفا سیلیسیم نیترید( فاز دما پایین) تقریبا در دمای 1500 درجه ی سانتیگراد به فرم بتا تبدیل می شود. این تغییر فازی به عنوان یک تغییر فاز برگشت پذیر در نظر گرفته نمی شود. دانسیته های تئوری برای فازهای آلفا و بتا به ترتیب برابر 3.18 و . سیلیسیم نیترید در دماهای بالاتر از 1800 درجه ی سانتیگراد تجزیه می شود. سیلیسیم نیترید همانند سیلیسیم کاربید نقش مهمی در توسعه ی سرامیک های مورد استفاده در کاربردهای ساختاری، ایفا کرده اند. این نقشه مهم به چند دلیل حاصل شده است. اولا هزینه ی نهایی این مواد کم می باشد؛ زیرا سیلیسیم نیترید به سهولت تولید می شود و سیلیسیم و نیتروژن دو عنصر متداول هستند. دوما سیلیسیم نیترید مانند سیلیسیم کاربید عموما به عنوان مقاوم ترین مواد سرامیکی غیر اکسیدی در برابر اکسیداسیون هستند. سوما سیلیسیم نیترید با سهولت بیشتری به بدنه ای با دانسیته ی کامل تبدیل می شود و همچنین بدنه های تولید شده از این ماده دارای استحکام بالایی هستند( در گونه ای از کامپوزیت ها استحکام این مواد از 700 تا 1000 مگا پاسکال گزارش شده است). استحکام مکانیکی بالای بدنه های تولید شده از این ماده به همراه ضریب انبساط حرارتی پایین، مدول الاستیک متوسط و ضریب رسانش گرمایی متوسط باعث می شود تا این ماده را به ماده ای با مقاومت به شک حرارتی استثنایی تبدیل کرده است.

سرامیک های سیلسیم نیتریدی

سیلیسیم نیترید یک سرامیک نیتروژنی با کاربردهای وسیع است. این سرامیک دارای نیتروژن شامل بخش های کریستالی و بخش های آمورف است. ایده ی استفاده اولیه ی از Si3N4 به عنوان یک سرامیک ابتدا بوسیله ی انگلیسی ها بوده است و سپس بوسیله ی ژاپنی ها توسعه یافته است. به زودی علاقه ها به منظور تحقیقات در زمینه ی این گونه سرامیک ها در تمام دنیا دنبال شده است. این کارها از دهه ی 1970 شروع شده است.
سیلیسیم نیترید یک ماده ی سرامیکی ایده آل است زیرا به منظور پدید آوردن کرنش در این ماده نیازمند اعمال تنش بسیار بالایی است. این ماده همچنین دارای نسبت استحکام به وزن بسیار بالایی است.
برای برطرف نمودن تقاضاهای دنیای مدرن، سیلیسیم نیترید یا سیلیسیم کاربید مواد سرامیکی مطلوبی هستند. این مواد سرامیکی دارای استحکام پیوند بالا، مقاومت به شک حرارتی خوب( به دلیل ضریب انبساط حرارتی پایین) و مقاومت خوب در برابر اکسیداسیون( در مقایسه با سایر مواد سرامیکی ساختاری در دمای بالا) است. این مواد(سیلیسیم نیترید و سیلیسیم کاربید) قادرند در برابر تنش های مکانیکی و الکتریکی مقاومت کنند. این مسئله باعث شده تا علاقه ی جهانی به منظور توسعه ی مواد سرامیکی مهندسی با قابلیت رقابت با آلیاژهای فلزی، حرکت کند. سرامیک های بر پایه ی سیلیسیم نیترید و کاربید دارای ترکیبی از خواص استثنایی هستند که این مسئله آنها را به عنوان گزینه ای مناسب در کاربردهایی نظیر توربین های گازی، موتورهای اتومبیل، مبدل های حرارتی مورد استفاده در صنعت، سیستم های مصرف انرژی و سایر کاربردهای مهندسی، تبدیل نموده است. علاقه ی اصلی در زمینه ی استفاده از این سرامیک ها به دلیل خاصیت تحمل بالای این مواد در دماهای بالا، مقاومت خوب در برابر شک حرارتی و پایداری شیمیایی این مواد می باشد.

آماده سازی پودر و

کیفیت پودر سیلیسیم نیترید یک فاکتور کلیدی در ویژگی های قطعه ی نهایی تولید شده از این پودر می باشد. بدنه هایی با درصد فاز آلفای بالا( بیش از 90 درصد) مناسب می باشند. تبدیل فاز آلفا در طی زینترینگ یا در طی فرایند پرس گرم منجر به افزایش دانسیته و توسعه ی ساختار دانه بندی میله ای شکل می شود. این ساختار میله ای شکل دارای قفل های داخلی بیشتری بوده و دارای استحکام بالایی می باشد. از دیگر ویژگی های این ساختار انرژی شکست بالای این گونه ترکیبات است. نبود ذرات درشت دانه یا کلوخه ها برای جلوگیری از بوجود آمدن عیوب ضروری است. این دانه بندی مناسب همچنین برای بهینه سازی استحکام در دمای بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون ضروری است. اندازه دانه ی زیر میکرون و مساحت سطح بالا موجب می شود تا پودر موجود فعال باشد. این فعالیت پودر برای زینترینگ و بدست آوردن بدنه های با دانسیته ی بالا، ضروری است. پودری که بتواند دانسیته ی خام بالایی بوجود آورد، موجب می شود تا مقدار شرینکیج در طی زینترینگ و فرایند پرس گرم، کاهش یابد.
پودر سیلیسیم نیترید می تواند با استفاده از چندین روش تولید شود. سه روش متداول عبارتند از نیتریداسیون پودر سیلیسیم، کاهش کربوترمال سیلیس و واکنش های فاز گازی.
شاید متداول ترین روش برای تولید سیلیسیم نیترید روش نیتریداسیون پودر سیلیسیم است.
و
با نیتریده کردن در دمای زیر 1450 درجه ی سانتیگراد، سیلیسیم نیترید با درصد فاز آلفای بالا تولید می شود. عموما این پودر باید تحت عملیات سایش قرار گیرد تا اندازه ی ذرات آن به حد مناسب برسد. دانه های سیلیس با کربن و نیتروژن واکنش می دهند و با توجه به فرمول زیر سیلیسیم نیترید تولید می کنند:
و
با این واکنش، یک پودر با اندازه ی دانه ی ریز تولید می شود. البته تولید پودر ریز در صورتی حاصل می شود که ما از پودر سیلیس با اندازه دانه ی ریز استفاده کنیم. کربن اضافی معمولا موجب می شود تا در پودر نیتریده شده، کربن آزاد بوجود آید. این کربن معمولا بوسیله ی فرایند آنیل در هوا، اکسید می شود.

تولید مواد

به دلیل وجود پیوند با درجه ی کوالانسی بالا، فرایند های زینترینگ معمولی برای تولید سرامیک های سیلیسیم نیتریدی با دانسیته ی بالا، مفید نمی باشد. در نتیجه روش های دیگر برای زینترینگ و تولید بدنه ازاین ماده توسعه پیدا کرده است؛ مثلا نیتریداسیون سیلیسیم فشرده شده یا افزودن کمک ذوب به پودر سیلیسیم نیترید. اضافه نمودن کمک ذوب ها به پودر سیلیسیم نیترید موجب می شود تا فرایند زینترینگ فاز مایع بیشتر شود. فرایند زینترینگ فاز مایع با و یا بدون استفاده از فشار انجام می شود اعمال فشار به زینترینگ فاز مایع کمک می کند. بدنه های سیلیسیم نیتریدی را می توان بوسیله ی 4 روش زیر تولید کرد. این روش ها عبارتند از:
1) سیلیسیم نیترید تولید شده با اتصال واکنشی( RBSN)
2) سیلیسیم نیترید تولید شده با زینتزینگ واکنشی( RSSN)
3) سیلیسیم نیترید تولید شده با پرس گرم( HPSN)
4) سیلیسیم نیترید تولید شده با پرس ایزواستاتیک گرم( HIPSN)
زینترینگ هم به صورت تحت فشار گاز و هم به صورت تحت خلأ انجام می شود. هر ماده ای که با روش های بالا تولید می شوند، دارای ویژگی خاص خود هستند زیرا روش تولید آنها متفاوت است.
در ادامه برخی از روش های مهم در تولید مواد سیلیسیم نیتریدی را بیان نموده ایم:

روش اتصال واکنشی( RBSN)

در این فرایند پودر فشرده شده ی سیلیسیم با استفاده از عملیات حرارتی در اتمسفر نیتروژن به سیلیسیم نیترید تبدیل می شود. سیلیسیم نیترید تولید شده با روش اتصال واکنشی( RBSN) یکی از اولین موادی بود که در گروه سرامیک های نیتریدی تولید گردید. روش آماده سازی شامل نیتریداسیون یک بدنه ی سیلیسیمی در اتمسفر نیتروژن است. این فرایند در دمایی زیر دمای ذوب سیلیسیم انجام می شود( در حدود 1420 درجه ی سانتیگراد). همچنین این کار می تواند با نیتریداسیون جزئی در دمایی زیر 1420 درجه ی سانتیگراد و سپس نیتریداسیون کامل در بالاتر از این دما( در دمایی در حدود 1450 تا 1500 درجه ی سانتیگراد) انجام شود. محصول بدست آمده در این روش ترکیبی از دانه ها و بخش های نمد مانند از و است. مقدار هر کدام از این بخش ها بسته به رویه ی نیتریداسیون تغییر می کند. استحکام سیلیسیم نیترید تولید شده با اتصال واکنشی در دمای اتاق کمتر از سیلیسیم نیترید تولید شده با پرس گرم است زیرا این استحکام به دلیل وجود حفرات با اندازه ی بزرگتر کاهش می یابد. به عبارت دیگر مقادیر استحکام در دمای بالا در سیلیسیم نیترید تولید شده با اتصال واکنشی می تواند از استحکام سیلیسیم نیترید تولید شده با پرس گرم بیشتر باشد زیرا کمک ذوب ها در فرایند اتصال واکنشی مورد استفاده قرار نگرفته است.
استحکام و دیگر ویژگی های سیلیسیم نیترید تولید شده با اتصال واکنشی به اندازه ی ذرات سیلیسیم و روش شکل دهی بدنه ی خام( روشی مانند روش ریخته گری دوغابی، روش پرس تک محوری و فرایند پرس ایزواستاتیک)، رویه ی نیتریداسیون( مانند روش نیتریداسیون تک مرحله ای یا دو مرحله ای)، سرعت نیتریداسیون کنترل شده، ناخالصی های موجود در گاز نیتروژن مورد استفاده ( مانند آب، اکسیژن، هیدروژن، و ... ) و ناخالصی های موجود در پودر سیلیسیم( مخصوصا آهن)، بستگی دارد. فرایند اتصال واکنشی برای تولید بدنه های بزرگ مناسب است. در حال حاضر، مقادیر دانسیته ی بدنه های تولید شده با این روش بیش و است؛ یعنی 12 درصد حجمی تخلخل با این روش تولید می شود.

روش زینتزینگ واکنشی( RSSN)

سیلیسیم نیترید تولید شده با زینتزینگ واکنشی یک ماده ی سرامیکی مناسب برای استفاده در کاربردهای مهندسی با دمای بالاست. یکی از ضرورت ها برای مواد مورد استفاده در این کاربردها این است که این ماده بتواند با استفاده از یک روش قابل اطمینان و با قابلیت تولید مجدد تولید گردد و بدنه ی حاصله علاوه بر استحکام مناسب، تغییرات استحکام کمی داشته باشد. سیلیسیم نیترید تولید شده با زینتزینگ واکنشی معمولا با حرارت دهی پودر فشرده شده ی سیلیسیم در اتمسفر نیتروژن( در دمای 1300 درجه ی سانتیگراد و برای چند ساعت) تولید می شود.
مفید بودن یک چنین فرایندی، تولید بدنه ای با درصد سیلیسیم نیترید تبدیل شده ی بالا می باشد. به استثنای خسارت های مکانیکی در سطوح، این به نظر می رسد که سه منبع بالقوه عیوب در این روش وجود دارد.:
1) تخلخل های توسعه یافته از سوراخ های موجود در بین ذرات موجود در سیلیسیم فشرده شده ی اولیه
2) ذرات سیلیسیم بزرگ که در ماده ی اولیه وجود دارند و یا حفراتی که به دلیل ذوب شدن ذرات بزرگ سیلیسیم در طی زینترینگ، تولید شده اند.
3) ذرات ناخالصی یا حفرات تولید شده به دلیل حضور ناخالصی ها
سیلیسیم نیترید تولید شده با زینتزینگ واکنشی بوسیله ی واکنش های پیچیده ی ایجاد شده در سیلیسیم، نیتروژن و سیلیسیم مونوکسید( و همچنین ناخالصی های گازی و جامد موجود در ماده و اتمسفر آن) تولید می شود. کینتیک واکنش ها برای یک چنین واکنش هایی بسیار پیچیده است و به سختی می توان آن را کنترل نمود.
همچنین در این فرایند، تشکیل فاز مایع( که به مکانیزم های افزایش دانسیته کمک می کند)، در دمای خاص ضروری است. این فاز مایع در بالای دمای یوتکتیک مربوطه و از طریق واکنش میان اکسید در حال زینترینگ و کمک ذوب هایی مانند MgO، Al2O3، Y2O3، و یا CeO2، سیلیس( SiO2)ی موجود در ذرات پودر و ، بوجود می آید. مایع اکسی نیترید که بوسیله ی این واکنش های تولید می شود، باعث پیشرفت فرایند افزایش دانسیته می شود که این کار از طریق ایجاد یک محیط انتقال ماده در طی زینترینگ، رخ می دهد.
مواد تولید شده با استفاده از فرایند زینترینگ فاز مایع، تولید می شوند، دارای یک فاز شیشه ای بین دانه ای هستند که از محیط زینترینگ به جای مانده است.

روش پرس گرم( HPSN)

فرایند پرس گرم یکی از راه های مؤثر در افزایش دانسیته و واکنش پذیری مواد سرامیکی است. با استفاده از پرس گرم، مواد با دانسیته ی کامل و با استحکام بالا قابل تولید است. همچنین از بدنه های تولید با این روش می توان در دماهای 1000تا 1100 درجه ی سانتیگراد و بدون مشاهده ی کاهش در استحکام، استفاده نمود. یک افت در استحکام به دلیل نرم شدن فازهای مرزدانه ای آمورف، رخ می دهد. پیشرفت های انجام شده در این روش نه تنها منجر به تولید شمش از این روش شده، بلکه همچنین منجر به تولید اجزای با اشکال ساده نیز شده است که با استفاده از این روش هزینه های مربوط به ماشین کاری قطعات تولید شده از این روش( با استفاده از سری های الماسه) و تولید اشکال پیچیده، کاسته شده است. به هر حال این فرایند تنها دارای کاربردهای محدودی است.
در این روش، نمونه ی پودر به صورت همزمان تحت دما و فشار بالا قرار می گیرد. پودر مورد استفاده در ابتدا بوسیله ی فرایند پرس سرد( در یک قالب فولادی) فشرده می شوند تا دانسیته ی آنها پیش از فرایند پرس گرم، به 55% دانسیته ی تئوری برسد. یک فشار تا اندازه ی 15 MPa به صورت تک محوری و از طریق یک پیستون گرافیتی به ماده ی فشرده شده، اعمال می شود. این استاندارد وجود دارد که در ابتدا نصف فشار نهایی به نمونه اعمال گردد( در حالی که دما تا 1250 الی 1350 درجه ی سانتیگراد افزایش یافته است زیرا شروع فرایند افزایش دانسیته معمولا در این گستره ی دمایی رخ می دهد)، سپس فشار اعمالی به طور تدریجی به همراه دما، افزایش می یابد تا فشار نهایی به مقدار 15 MPa و دمای نهایی به دمایی در گستره ی 1450 تا 1700 درجه ی سانتگراد، برسد.

روش پرس ایزواستاتیک گرم( HIPSN)

یکی دیگر ازروش هایی که بوسیله ی آن می توان بدنه های با اشکال پیچیده از و تولید کرد که دارای ویژگی های مکانیکی و ترمومکانیکی خوب می باشد، روش پرس ایزواستاتیک گرم است. بررسی های انجام شده بر روی بسیاری از بدنه های تولیدی با این روش نشان داد که ویژگی های فیزیکی، مکانیکی و ویژگی های دما بالای این بدنه ها بهبود یافته است، قابلیت اطمینان افزایش یافته است و هزینه ها در مقایسه با روش های مرسوم، کاسته شده است. بر اساس این نتایج، این به نظر می رسد که پرس ایزواستاتیک گرم همچنین روشی مناسب برای تولید بخش های و ساختاری است که در دمای بالا مورد استفاده قرار می گیرند. به همین دلیل، اخیرا وسایل پرس ایزواستاتیک گرمی تولید شده اند که قادر به افزایش دانسیته در دماهای بالاتر از 1700 درجه ی سانتیگراد هستند.
ویژگی اصلی روش پرس ایزواستاتیک گرم، استفاده از فشارهای ایزوتروپیک بالا است که معمولا از طریق یک گاز فشرده انتقال می یابد و بدین وسیله پودر مورد استفاده فشرده می شود ویا تخلخل های باقیمانده در مواد پیش زینتر شده، از بین می رود. این مسئله موجب می شود تا اجزای با شکل پیچیده ای تولید شود که دارای ویژگی های بهبود یافته هستند. همه ی مواد اولیه ای که دارای تخلخل های باز هستند، پیش از اعمال فرایند پرس ایزواستاتیک گرم، کپسوله می شوند تا از نفوذ گازهای فشرده به داخل پودر فشرده شده، جلوگیری شود. برای کپسوله کردن اجزای با شکل پیچیده، تکنیک های کپسوله کردن ویژه ای مانند استفاده از پوشش های شیشه ای ذره ای و تخلیه ی حرارتی متعاقب و استفاده از پوشش های شیشه ای ذره ای و عایق کاری آنها و یا کپسوله کردن با استفاده از روش های دو لایه ای توسعه یافته اند.
ویژگی های فیزیکی و
در جدول 1 و 2 ویژگی های فیزیکی سیلیسیم نیترید با اتصال واکنشی، سیلیسیم نیترید با زینترینگ واکنشی و برخی از مواد با دانسیته ی بالا آورده شده است. آورده شده است.
اگر چه مدول الاستیک سیلیسیم نیترید از سیلیسیم کاربید کمتر است اما هنوز هم از بسیاری از فلزات بزرگتر است. دانسیته ی این ماده کاملا پایین است( در مقایسه با فولاد و زیرکونیا). و رسانایی گرمایی آن دوبرابر فولاد زنگ نزن است اما این رسانایی کمتر از سیلیسیم کاربید است. انبساط حرارتی سیلیسیم نیترید در این گروه کمترین است. این مسئله نشاندهنده ی علت وجود مقاومت به تنش حرارتی سیلیسیم نیترید است. خواص فیزیکی سیلیسیم نیترید نه تنها با تغییر ترکیب شیمیایی آن، تغییر می کند، بلکه این ویژگی ها به طور قابل ملاحظه ای تابع دما هستند. شکل 1 تا 4 ، تغییرات گرمای ویژه، مدول الاستیسیته، رسانایی گرمایی و انبساط گرمایی را به عنوان تابعی از دما برای یک بدنه ی سیلیسیم نیتریدی با 1 % MgO که با استفاده از روش پرس ایزواستاتیک گرم تولید شده بود را نشان می دهد. توجه کنید که رسانایی گرمایی با استفاده از یکی از دو فاکتور در گستره ی مفیدی از ترکیبات سیلیسیم نیترید، کاهش می یابد؛ و این در حالی است که گرمای ویژه ی آن دو برابر می شود.

مدول الاستیسیته ی/ چگالی نسبی و در مقایسه با سایر مواد سرامیکی مهندسی

در مقایسه با ویژگی هایی از سیلیسیم نیترید که قبلا در مورد آن ها صحبت کردیم، برخی مزیت ها دیگر مانند تنش بالا بر واحد کرنش وجود دارد که به آن مدول الاستیک می گویند. مقادیر بالای مدول مناسب می باشد. این مدول بوسیله ی چگالی نسبی پخش می شود و بنابراین بیان مدول بالا نسبت چگالی نسبی مناسب است.
تعداد اندکی از سرامیک های مهندسی و نسبت مدول به وزن آنها و همچنین دمای ذوب یا تجزیه در جدول 3 آورده شده است.
در مواد دارای مدول الاستیک بالا، استحکام پیوند میان اتم ها باید بالاست. در حالی که برای مواد با دانسیته ی اتمی پایین، اتم ها باید دارای وزن اتمی پایین و عدد کوئوردیناسیون کم باشند. این مسئله در تمام مواد با پیوند کوالانسی مشاهده می شود. مواد با مدول ویژه ی بالا عموما دارای دمای ذوب و تجزیه ی بالا هستند که این مسئله به دلیل وابستگی استحکام پیوند اتم های داخلی به کاهش میزان مدول ویژه ی آنهاست. تمام مواد سرامیکی که در جدول3 آورده شده اند، دارای دمای ذوب یا تجزیه ی بالایی هستند که این بالا بودن دما به دلیل استحکام پیوند بالای اتم های داخلی این مواد حاصل شده است.
بیشتر مواد سرامیکی آورده شده در لیست بالا دارای محدودیت های خاص هستند. کربن به سرعت اکسید می شود، BeO ماده ای سمی است، AlN به سرعت هیدرولیز می شود، و مقاومت در برابر شک حرارتی ضعیفی دارد و BN دارای فرایند تولید سختی است و از این رو و و SiC موادی هستند که برای کاربردهای مهندسی در دمای بالا مناسب می باشند.

کاربردهای سرامیک های سیلیسیم نیتریدی

سرامیک های نیتریدی به عنوان مواد ساختاری قابل اطمینان برای کاربردهای دما بالا در نظر گرفته می شود. علت این مسئله ویژگی های مکانیکی استثنایی این ماده مانند استحکام شکست بالا، مقاومت در برابر شک حرارتی، پایداری شیمیایی، استحکام بالا در دماهای بالا و مدول ویژه ی( یعنی مدول الاستیک بر واحد وزن ویژه ی) بالای این ماده است.
اما سیلیسیم نیترید ماده ای است که اتصال آن با فلز به سختی ایجاد می شود. علت این موضوع ضریب انبساط حرارتی کوچک این ماده است. ضریب انبساط متوسط سیلیسیم نیترید از دمای اتاق تا 1000 درجه ی سانتیگراد در حدود و است؛ در حالی که این ضریب برای تنگستن که دارای کوچک ترین ضریب انبساط حرارتی در بین تمام فلزات است، در حدود و 1 است.
سرامیک های سیلیسیم نیتریدی دارای تافنس شکست بالا و استحکام بالا در دمای بالا است که این مسئله باعث شده تا استفاده از این ماده در انواع مختلفی از کاربردهای ساختاری( که در آنها تنش های کششی بوجود می آید) مطلوب باشد:
1) مخازن فشار برای رآکتورهای هسته ای
2) مقاومت های الکتریکی( الکترولیت های جامد)
3) پره های توربین گازی( مواد با تحمل دمایی بالا)
4) موتورهای جت گازی( مواد با تحمل دمایی بالا)
5) وسایل مورد استفاده در سوراخ کاری( مواد بسیار سخت و غیر داکتیل)
6) ابزارهای برش
7) زینگ های عایق بندی در پمپ های مورد استفاده در چرخش مایعات
برخی از کاربردهای مهندسی سرامیک های سیلیسیم نیتریدی در زیر توصیف شده است.

ابزارهای برش

بخش های برنده ی سرامیکی برای نوارهای مغناطیسی برنده مورد استفاده قرار می گیرد. این بخش ها دارای این مزیت هستند که برروی میدان مغناطیسی ایجااد شده، تأثیر نمی گذارند. چاقوهای آشپزخانه ی سرامیکی نسبت به سطوح فلزی حساس نیستند و با آنها واکنش شیمیایی نمی دهند از این رو از این چاقوها برای برش کاغذ بر روی سطح فولادی استفاده می شود.
برخلاف مواد سرامیکی مورد استفاده در سیستم های برش، این ماده ی سرامیکی دارای قابلیت تحمل شک های حرارتی و مکانیکی نیز می باشد. این مسئله باعث می شود تا این ماده برای استفاده در عملیات های برش، ماشین کاری قطعات ریخته گری شده با سوراخ های دمشی و ذرات استحکام دهنده ی سخت، عملیات های ذوب و ماشین کاری متعاقب، مورد استفاده قرار گیرد( در این کاربردها فقدان انعطاف پذیری به دلیل سایش موجب تولید لرزش های مکانیکی می شود. مواد خنک کننده می تواند برای بهبود کیفیت سطح اجزای ماشین کاری شده و یا برای بهبود عمر مفید ابزار برش مورد استفاده قرار گیرد( بدون انکه ترسی در مورد وقوع شکست به دلیل پدید آمدن شک های حرارتی در این اجزا، وجود داشته باشد).

جوش کاری

غلاف های گازی با قطر کوچک و ضخامت 0.03 اینچ برای عملیات های جوش کاری اتوماتیک در صنعت هواپیمایی مورد استفاده قرار می گیرند. این بخش ها سیکل های زیادی را باید تحمل کنند که استفاده از غلاف های آلومینایی متداول در این کاربرد، نمی تواند شرایط شک حرارتی موجود را تحمل کند. سایش های مختلفی در بخش های جوش کاری مقاومتی بوجود می آید و این ثابت شده است که این سایش ها را نمی توان حذف نمود. ویژگی های مورد نیاز برای این کاربردها عبارتند از عایق کاری الکتریکی، مقاومت در برابر شک حرارتی، مقاومت در برابر سایش، استحکام بالا و مقاومت در برابر جرقه ای مذاب فلزی.

اکستروژن

دریچه های قالب تولید شده از سرامیک های نیتروژنی که دارای Si3N4 هستند، برای اکستروژن مواد مختلفی مورد استفاده قرار گرفته اند. طبق بررسی های انجام شده، این ماده ماده ای مناسب برای تولید قالب های اکستروژن می باشد و از آن برای شکل دهی برنج، مس، آلومینیوم، برنز، تیتانیوم و ابزارهای فولادی مورد استفاده قرار گرفته است.

زره ها

کارایی ضربه ای و بالستیک سرامیک های و ی اندکی بهتر از آلومینا و کاربیدهای بور می باشد اما دانسیته ی آن تنها اندکی کمتر از آلومینا و کاربید بور است و . بنابراین اندک کارایی بهتر و وزن کمتر این ماده، هزینه ی بسیار بالاتراین ماده در مقایسه با آلومینا را توجیه نمی کند. به هر حال در حال حاضر، با توجه به تست های محدود انجام شده بر روی کامپوزیت های سرامیکی و و توسعه ی مواد دیگر، این انتظار می رود که بتوان مواد با کارایی بهتر از این ماده تولید نمود و بنابراین نسبت کارایی به وزن با کاهش ضخامت بخش های این ماده افزوده شود.

جابجا نمودن فلزات مذاب

سرامیک های و که بوسیله ی روش های زینترینگ با فشار اندک تولید شده اند، در زمانی که وارد فلزات مذاب معینی می شوند، از خود مقاومت بالاتری نسبت به سرامیک های سیلیسیم نیتریدی نشان می دهند که بوسیلهی ی روش پرس گرم تولید شده اند. در آلیاژهای پایه نیکل، تشکیل لایه ی پسیو بر روی سطح یک مقاومت بسیار بالا در برابر حمله ی مواد شیمیایی ایجاد می کند. استفاده های و بررسی های زیادی در مورد استفاده از این ماده در صنعت ریخته گری و اسپری کردن فلزات در حال انجام می باشد.

بخش های متحمل سایش

قابلیت استفاده از سرامیک های سیلیسیم نیتریدی در کنار اجزای فلزی متحرک( با و بدون روانسازی) و همچنین قابلیت تحمل این ماده در برابر دماهای بالا و شک حرارتی، به این ماده اجازه می دهد تا بتواند در برابر محیط های سایشی موجود در صنعت، مقاومت کند. تنوع این کاربردها باعث شده تا مثال آوردن از آنها مشکل باشد، اما می توان گفت که از این ماده در قالب های کشش، درپوش های سنبه ای لوله ای مانند( tube-drawing mandrel plugs) و صفحات راهنما در غلطک ها استفاده می شود در واقع استفاده از این ماده در جاهایی است که این استفاده موجب افزایش عمر مفید آن قطعه گردد. بررسی های میدانی نشان داده است که یک تاپت ماشین دیزل بعد از 60000 کیلومتر حرکت دچار 7.5 µm سایش می شود.

مواد دیرگداز

علاقه ی فراوانی در زمینه ی استفاده از پودر سیلیسیم کاربیدی در کاربردهای دیرگداز است. استفاده از این ماده کارایی و مقاومت در برابر حمله ی فلزات مذاب را افزایش می دهد.
امروزه، از سیلیسیم نیترید و کاربید به عنوان افزودنی در این کاربردها استفاده می شود و پیش بینی می شود که استفاده از این ماده موجب می شود تا کیفیت دیرگدازها بهبود یابد. همچنین استفاده از این ماده به عنوان دیرگداز موجب می شود تا مصرف جهانی این ماده افزایش یابد اما در ابتدا باید هزینه ی تولید این ماده کاهش یابد.

سرامیک های سیلیسیم نیتریدی برای استفاده در کاربردهای دما بالا

مواد سرامیکی مونولیتیک بر پایه ی سیلیسیم نیترید که هم اکنون توسعه یافته اند، تا دمای 1537 درجه ی سانتیگراد، دارای ویژگی های استحکام و مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون استثنایی هستند. علاوه بر این تکنیک های شکل دهی پیشرفته که برای شکل دهی این اجزای سرامیکی مورد استفاده قرارگرفته است، باعث شده تا کیفیت قطعات افزایش یابد و ماشین کاری نهایی که برای آماده سازی این قطعات لازم است، به حداقل برسد. این مسئله پتانسیل مناسبی را برای کاهش هزینه های مربوط به سرمایه گذاری در زمینه ی آلیاژهای پایه نیکل داشته است.
همچنین سرامیک های سیلیسیم نیتریدی دارای دانسیته ای برابر با 40 % دانسیته ی مواد فلزی مورد استفاده در توربین ها می باشد. و این کم بودن دانسیته موجب می شود تا کاهش وزن قابل محسوس در سیستم های این گونه موتورها ایجاد شود. دانسیته ی پایین تر همچنین اینرسی چرخشی موجود در اجزا را کاهش می دهد. جایگزینی فلزات با آلیاژهای سرامیکی در اجزای سیستم سوخت موجب می شود تا دمای دیواره ها بدون نیازبه خنک سازی، افزایش یابد و باعث کنترل بهتر انتشار گازها از موتور می شود.
موتورهای توربین های گازی به عنوان یک محل مناسب برای استفاده از این ماده و جایگزینی بخش های مختلف آن با این ماده ی سرامیکی می باشد. همچنین موتورهای جرقه ای و دیزل نیز از دیگر مکان های مناسب برای استفاده از این ماده می باشد. علاوه بر مزیت های بالقوه ی این ماده، افزایش بهره بری سوخت، قابلیت اخذ استانداردهای جهانی در زمینه ی خروج گازهای حاصل از سوختن سوخت ها، قابلیت کار با گستره ی متنوعی از سوخت های جایگزین و کاهش لرزه های حاصل از کارکرد اینگونه موتورها از دیگر مزیت ها محسوب می شود.
شرکت Rolls-Royce Allison از بدو تأسیس خود بر روی توسعه ی این توربین ها برنامه ریزی کرده اند. کارهای اولیه بوسیله ی وزارت انرژی ایالات متحده ی آمریکا( DOE) و ناسا مورد حمایت مالی قرار گرفته است. در ابتدا از موتور کامیون که دارای یک توربین گازی با کارایی بالا بود( heavy-duty gas turbine truck engine)، به عنوان یک موتور آزمایشی استفاده شد. این موتور یک موتور تولید کننده ی توان و دو محوره بود. هدف از این برنامه اثبات این موضوع بود که یک مسیر جریان گرم بی عیب قادر است بدون سرد کردن کار کند( دمای خروجی این روتور( RIT) در حدود 1240 درجه ی سانتیگراد بود). در طی اجرای این برنامه، تمام نازل های سرامیکی مورد استفاده به طور موفقیت آمیز تا 900 ساعت سیکل را پشت یر گذاشتند و حداکثر دمای خروجی روتور در این آزمایشات 1132 درجه ی سانتیگراد بود و دما در نقاط گرم تا 1260 درجه ی سانتیگراد نیز می رسید. علاوه بر این، پره های سرامیکی و دیسک های تقویت کننده سرامیکی که در این ماشین با کارایی بالا مورد استفاده قرار گرفت، در یک مسافرت در آمریکا مورد استفاده قرار گرفت. و در کل 6600 مایل از این کشور در وضعیت های آب و هوایی زمستانی( در خیابان ها و آزاد راه های بخش های مرکزی و شمالی آمریکا) طی شد.

ساختار اتمی سیلیسیم نیترید

سیلیسیم نیترید با فرمول و ، یک ترکیب حاصل از اتم های گروه های IV و V اصلی جدول تناوبی است. عدد والانس سیلیسیم 4 بار مثبت و این عدد برای نیتروژن 3 بار مثبت می باشد. این دو عناصر( سیلیسیم و نیتروژن) به صورت کوالانسی به همدیگر متصل می شوند و مولکول سیلیسیم نیترید را تولید می کنند. این ماده به دو صورت اصلاح شده ی هگزاگونال کریستالی می شوند که این دو فرم کریستالی آلفا و بتا نامیده می شوند( همانگونه که در شکل های 5 و 6 دیده می شود). این دو فرم اصلاح شده از لحاظ فاصله ی شبکه ای در جهت کریستالوگرافی c متفاوتند( این مقدار در فرم آلفا دو برابر فاز بتاست. که در شکل های 7 و 8 این موضوع قابل مشاهده است). اتم های سیلیسیم در کوشه ی تتراگونال هایی واقع شده اند که از اجتماع غیر منظم اتم های نیتروژن بوجود آمده اند( هر اتم نیتروژن به سه تتراهدرال تعلق دارد).
بتا سیلیسیم نیترید یک جامد کوالانسی است که از تتراهدرال های و ی متصل به هم تشکیل شده است. این اتصال سه بعدی از تتراهدرال ها موجب شده تا شبکه ای سه بعدی حاصل گردد که در آن گوشه ها به اشتراک گذاشته شده اند( هر کوشه ی نیتروژنی معمولا در سه تتراهدرال قرار دارد). آرایش بتا سیلیسیم نیترید مشابه برلیوم سیلیکات دارای ساختار فناکیت( phenakite) یا روی سیلیکات(و ) است. این به نظر می رسد که قوانین مورد استفاده در شیمی کریستالی سیلیکات ها ممکن است برای نیترات ها نیز قابل استفاده باشد. از این رو در این مورد اتم های برلیوم با اتم های سیلیسیم جایگزین می شوند و اتم های اکسیژن نیز با اتم های نیتروژن جایگزین می شوند.
آلفا سیلیسیم نیترید بوسیله ی اتم های دیگر مانند اکسیژن پایدار می شود. به هر حال ایده ی کنونی این است که آلفا سیلیسیم نیترید دارای انرژی بیشتری است و فرم نیمه پایدار محسوب می شود. به نظر می رسد که تشکیل فاز آلفا مربوط به واکنش خاصی است که در طی نیتریداسیون سیلیسیم اتفاق می افتد( مانند واکنش فاز گازی بخارات سیلیسیم یا سیلیس با نیتروژن). با افزایش دما، فاز آلفا به طور قابل ملاحظه ای نسبت به فرم بتا، ناپایدار می شود. به هر حال این استحاله ساختاری است و می تواند با فرایند انحلال- رسوب دهی بوسیله ی فاز مایع همراه باشد. علاوه بر این استحاله ی آلفا به بتا در طی آنیلینگ سیلیسیم نیترید تولید شده از روش پیوند واکنشی نیز مشاهده شده است. تبدیل بتا به آلفا نیز در برخی مقالات اشاره شده است.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.