Mengapa Silicon Nitride Menggantikan Baja dalam Rekayasa Berkinerja Tinggi- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

Sifat Inti Silikon Nitrida (Si3N4)

Silikon Nitrida adalah keramik teknis berkinerja tinggi yang ditandai dengan kombinasi unik antara sifat termal, mekanik, dan listrik. Tidak seperti banyak keramik lain yang rapuh akibat tekanan termal, Silikon Nitrida memiliki koefisien muai panas yang sangat rendah dan ketangguhan patah yang tinggi. Hal ini membuatnya sangat tahan terhadap guncangan termal, sehingga tahan terhadap fluktuasi suhu yang cepat tanpa retak. Secara kimia, baja ini terdiri dari silikon dan nitrogen yang tersusun dalam struktur ikatan kovalen, yang menghasilkan material yang hampir sekeras berlian namun tetap jauh lebih ringan dibandingkan paduan baja berkekuatan tinggi.

Karakteristik Fisik dan Termal

Properti	Nilai Khas
Kepadatan	3,2 - 3,5 gram/cm³
Kekerasan (Vickers)	1400 - 1600 HV
Konduktivitas Termal	20 - 30 W/m·K
Suhu Pengoperasian Maks	Hingga 1200°C

Proses Manufaktur dan Kelas Bahan

Kinerja Silikon Nitrida sangat bergantung pada metode yang digunakan untuk mensintesis dan memadatkan bubuk. Karena bahannya tidak meleleh, maka harus dibentuk melalui proses sintering. Reaction Bonded Silicon Nitride (RBSN) dibuat dengan melakukan nitridasi bubuk silikon kompak, menghasilkan stabilitas dimensi yang sangat baik namun porositas lebih tinggi. Sebaliknya, Gas Pressured Sintered Silicon Nitride (GPSSN) dan Hot Pressed Silicon Nitride (HPSN) menggunakan tekanan dan suhu tinggi untuk mencapai kepadatan yang mendekati teori, sehingga menawarkan kekuatan mekanik tertinggi untuk aplikasi luar angkasa dan otomotif yang menuntut.

Sintered Silicon Nitride (SSN): Menggunakan aditif untuk memfasilitasi pemadatan pada suhu tinggi.
Hot Isostatic Pressed (HIP-SN): Menghilangkan rongga mikro internal untuk ketahanan lelah maksimum.
Reaction Bonded (RBSN): Terbaik untuk bentuk kompleks yang memerlukan toleransi ketat tanpa pemesinan.

Aplikasi Industri dan Keuntungan Teknik

Di sektor otomotif dan dirgantara, Silicon Nitride adalah standar emas untuk komponen bantalan kecepatan tinggi. Bantalan bola keramik yang terbuat dari Si3N4 40% lebih ringan dari baja, menghasilkan lebih sedikit gesekan, dan dapat beroperasi tanpa pelumasan dalam waktu singkat, yang sangat penting untuk skenario darurat pada mesin jet. Selain itu, sifat non-magnetik dan insulasi listriknya membuatnya ideal untuk digunakan dalam peralatan manufaktur semikonduktor dan implan medis, sehingga interferensi pada pencitraan resonansi magnetik (MRI) atau sirkuit listrik harus dihindari.

Manfaat Utama di Lingkungan Ekstrim

Ketahanan Korosi: Tahan terhadap sebagian besar larutan asam dan basa pada suhu kamar.
Ketahanan Aus: Umur panjang yang unggul di lingkungan abrasif dibandingkan dengan tungsten karbida.
Kekakuan Tinggi: Memberikan kekakuan struktural yang sangat baik dengan Modulus Young sekitar 310 GPa.

Pertimbangan Desain untuk Komponen Silikon Nitrida

Saat mendesain dengan Silicon Nitride, para insinyur harus memperhitungkan kurangnya keuletan material. Meskipun kompresinya sangat kuat, ia sensitif terhadap pembebanan dan tegangan titik. Untuk memaksimalkan masa pakai komponen keramik, penting untuk menghindari sudut bagian dalam yang tajam dan memanfaatkan jari-jari yang besar untuk mendistribusikan tekanan. Selain itu, karena Silikon Nitrida sulit untuk dikerjakan setelah sintering, komponen harus dirancang sedekat mungkin dengan "bentuk jaring", atau digiling menggunakan perkakas berujung berlian untuk mencapai toleransi akhir. Integrasi yang tepat sering kali melibatkan penggunaan shrink-fit atau perekat khusus untuk merekatkan keramik ke wadah logam.