Perché la ceramica di nitruro di silicio è adatta per il cuscinetto?
2023-07-03
Con lo sviluppo della produzione di macchinari verso il foglio ceramico di allumina alta precisione e alta velocità, l'ambito dell'applicazione dei cuscinetti sta diventando sempre più ampia e i requisiti per le prestazioni dei cuscinetti stanno diventando sempre più alti. Soprattutto in alcuni ambienti di lavoro speciali, i cuscinetti in metallo non possono soddisfare le esigenze o addirittura funzionare completamente. I materiali ceramici sono diventati i materiali ideali per cuscinetti di precisione di produzione ad alta velocità a causa della loro bassa densità, modulo elastico elevato, piccolo coefficiente di espansione lineare, resistenza all'usura, resistenza ad alta temperatura, resistenza alla corrosione e altre proprietà eccellenti.
1. Vantaggi e caratteristiche della ceramica di nitruro di silicio
Sebbene il nitruro di silicio non sia il più difficile e il più difficile della ceramica industriale, si ritiene avere le migliori proprietà meccaniche e fisiche nelle applicazioni dei cuscinetti che richiedono alte prestazioni. Ora diamo un'occhiata ai vantaggi del nitruro di silicio rispetto ad altri materiali per cuscinetti.
Confronto delle prestazioni di cinque materiali in ceramica in allumina cuscinetto
Resistenza al calore
In generale, quando la temperatura di servizio dei cuscinetti in acciaio supera i 120 ℃, la durezza e la durata del rotolamento diminuiranno. Il nitruro di silicio ha buone caratteristiche di temperatura, particolarmente adatte per l'ambiente ad alta temperatura.
forza centrifuga
La densità del nitruro di silicio è di circa 3,24 × 103 kg/m3, mentre la densità dell'acciaio del cuscinetto è di circa 7,8 × 103 kg/m3, che è solo circa il 40% della densità dell'acciaio del cuscinetto, quindi quando l'elemento di rotolamento utilizza il cuscinetto, Il cuscinetto può trattenere l'aumento del carico di elementi di rotolamento causata dalla forza centrifuga quando si ruota ad alta velocità.
Coefficiente di espansione lineare
Il coefficiente di espansione lineare di nitruro di silicio è di circa 1/4 di quello dell'acciaio cuscinetto, quindi la variazione delle dimensioni con la temperatura è piccola, quindi è utile utilizzare nell'ambiente con un grande cambiamento di temperatura.
Durezza, coefficiente di elasticità, rapporto di Poisson
Poiché il coefficiente elastico del nitruro di silicio è circa 1,5 volte quello dell'acciaio cuscinetto, la deformazione elastica del carico relativo è piccola e la rigidità del carico relativo è elevata.
Resistenza alla corrosione, non magnetica, isolamento
Quando i cuscinetti in acciaio vengono utilizzati per i macchinari utilizzati in attrezzature per macchinari chimici, cibo, marine e altri dipartimenti, la corrosione è un problema. In un forte ambiente magnetico, quando vengono utilizzati cuscinetti in acciaio, la polvere sottile logora dal cuscinetto stesso viene adsorbita tra l'elemento di rotolamento e la superficie di rotolamento, che diventerà il motivo principale per danni di spalling prematura e aumento del rumore.
2. Preparazione del cuscinetto in ceramica di nitruro di silicio
Processo di preparazione del cuscinetto in ceramica in ceramina in ceramina di nitruro di silicio
Preparazione della polvere ceramica a nitruro di silicio
La polvere di nitruro di silicio per le parti del cuscinetto deve avere le seguenti caratteristiche importanti: elevata purezza; Particelle altamente uniformi e fini; α alto contenuto di fase. Il metodo più adatto per preparare la polvere di nitruro di silicio è il metodo di nitridazione della riduzione carbotermica, con la formula di reazione di 3SIO2+6C+2n2 = Si3n4+6co. La polvere ottenuta con questo metodo ha meno impurità metalliche, elevata purezza e particelle fini, un alto contenuto di fase α, soddisfacendo i requisiti dei materiali per le parti dei cuscinetti.
Formazione di parti correlate al cuscinetto in ceramica a nitruro di silicio
Esistono molti metodi di preparazione di parti correlate al cuscinetto in ceramica di nitruro di silicio, come sinterizzazione di reazione, sinterizzazione a caldo, sinterizzazione senza pressione e sinterizzazione di reazione secondaria. Al fine di ottenere materiale di nitruro di silicio completamente denso, il metodo di pressione isostatica a caldo è l'ideale.
MACCAZIONE DEL CUSCINE CERAMICO Nitruro di silicio correlati
La lavorazione delle parti correlate al cuscinetto in ceramica di nitruro di silicio è sostanzialmente simile a quella delle parti di acciaio del cuscinetto e il meccanismo di macinazione è sostanzialmente lo stesso. Tuttavia, a causa delle grandi differenze tra le varie proprietà del nitruro di silicio e dell'acciaio, ci sono notevoli differenze negli strumenti di macinazione, nei fattori di elaborazione, nelle miscele di macinazione, ecc. Nell'elaborazione meccanica e i requisiti della ceramica di zirconia ogni processo per la dimensione delle particelle, tipo di tipo particella , forma, quantità, forza, caratteristiche di schiacciamento, caratteristiche di usura, ecc. Gli abrasivi sono diversi. Al momento, gli abrasivi utilizzati includono principalmente carburo di silicio, carburo di boro, polvere di diamanti, ecc.
Assemblaggio di cuscinetto in ceramica di nitruro di silicio
Generalmente, i cuscinetti rotanti sono composti da quattro parti principali, vale a dire l'anello esterno, l'anello interno, l'elemento rotante e la gabbia. Poiché esistono dieci categorie di cuscinetti rotanti, diversi tipi di cuscinetti adottano diverse forme di gabbia, quindi anche i metodi di assemblaggio dei cuscinetti sono diversi.
Il cuscinetto in ceramica di nitruro di silicio, come importante componente di base meccanico, sta aprendo la strada nel nuovo mondo dei materiali a causa delle sue eccellenti caratteristiche che altri cuscinetti non possono eguagliare. Negli ultimi anni, nei settori di aerospaziale, navigazione, industria nucleare, petrolio, industria chimica, industria tessile leggera, macchinari, metallurgia, energia elettrica, cibo, locomotiva, meccanismo di metropolitana, ricerca scientifica, difesa e tecnologia militare , ecc., I cuscinetti ceramici di nitruro di silicio sono sempre più riconosciuti come sostituti indispensabili in condizioni di lavoro speciali come alta temperatura, alta velocità, raffreddore profondo, infiammabile, esplosivo, corrosione forte, vuoto, isolamento elettrico, non magnetico, attrito secco, ecc.
Caratteristiche del substrato ceramico di nitruro di silicio:
Con la miniaturizzazione di apparecchiature elettroniche ad alte prestazioni e dei suoi componenti, la dissipazione del calore è diventata un fattore chiave che ha influenzato le prestazioni e l'affidabilità. Poiché l'elevato flusso di calore porterà a degradazione delle prestazioni e vita abbreviata, tra le varie tecnologie di dissipazione del calore, il sistema di radiatore è le parti ceramiche di zirconia utili e convenienti per la miniaturizzazione, perché può diventare parte del sistema di imballaggio microelettronico.
Substrato ceramico a LED
Come tutti sappiamo, il calore generato durante il funzionamento di dispositivi a semiconduttore è il fattore chiave che causa il fallimento dei dispositivi a semiconduttore e la conduttività termica del substrato isolante elettrico è la chiave per la dissipazione del calore dell'intero dispositivo a semiconduttore. Il radiatore è composto da uno strato di circuito metallico e un substrato ceramico, come nitruro di alluminio, nitruro di silicio, carburo di silicio e ossido di alluminio. Tra questi substrati ceramici, il nitruro di silicio è considerato promettente a causa della sua eccellente conducibilità termica (60-90W/MK), elevata resistenza meccanica (650-850 MPa) e coefficiente di bassa espansione. In effetti, il substrato ceramico di nitruro di silicio viene generalmente depositato sul substrato attraverso i processi di rame (DBC) di legame diretto (DBC) e di placcatura del rame diretto (DPC). DBC ottiene una maggiore adesione mediante l'interblocco meccanico tra il film metallico depositato ad alta temperatura e il substrato, mentre DPC raggiunge l'adesione migliorata formando uno strato di semi mediante deposizione di vuoto.
Inoltre, a causa del complesso ambiente meccanico come turbolenza e vibrazione, sono inoltre richiesti materiali del substrato con una certa affidabilità meccanica. Il substrato ceramico di nitruro di silicio è relativamente bilanciato in tutti gli aspetti ed è il materiale ceramico strutturale con le migliori prestazioni complete. Pertanto, il nitruro di silicio ha una forte competitività nel campo della produzione di substrati ceramici per dispositivi elettronici.
Substrato ceramico di nitruro di alluminio
In passato, i substrati del circuito erano materiali planare composti da componenti discreti o circuiti integrati e componenti discreti per soddisfare i requisiti funzionali del circuito generale. Richiede solo isolamento elettrico e conducibilità. Dopo essere entrati nell'era dell'informazione intelligente, è necessaria anche le apparecchiature elettroniche di alimentazione per essere in grado di convertire e controllare l'energia elettrica, che migliora notevolmente i requisiti di prestazione di controllo elettrico e di conversione della potenza e consumo di energia operativa. Di conseguenza, il substrato comune non può più soddisfare gli elevati requisiti di riduzione della resistenza termica di dispositivi di alimentazione complessi, controllando la temperatura di lavoro e garantendo l'affidabilità e il substrato ceramico con prestazioni migliori devono essere sostituiti.
Secondo i requisiti di prestazione dei dispositivi elettronici sul substrato ceramico, i materiali del substrato devono avere le seguenti proprietà:
1. Buona isolamento e resistenza alla flangia ceramica di rottura elettrica;
2. Alta conducibilità termica: la conducibilità termica influisce direttamente sulle condizioni di lavoro e sulla durata dei semiconduttori. Il campo di temperatura irregolare causato da una scarsa dissipazione del calore aumenterà anche notevolmente il rumore dei dispositivi elettronici;
3. Il coefficiente di espansione termica corrisponde a altri materiali utilizzati nel pacchetto;
4. Caratteristiche ad alta frequenza, costante dielettrica bassa, bassa perdita dielettrica;
5. La superficie è liscia e lo spessore è uniforme, che è conveniente per stampare il circuito sulla superficie del substrato e garantisce lo spessore uniforme del circuito stampato;
Substrato ceramico
Al momento, i materiali del substrato ceramico più utilizzati sono principalmente ossido di alluminio e nitruro di alluminio. In che modo il nitruro di silicio si confronta con le sue prestazioni? La tabella seguente mostra che i tre materiali del substrato ceramico presentano evidenti vantaggi, in particolare la resistenza ad alta temperatura dei materiali del substrato ceramico a nitruro di silicio in condizioni di alta temperatura, inerzia chimica a metalli, durezza ultra-alta, resistenza alla frattura e altre proprietà meccaniche.
Poiché il nitruro di silicio è così eccellente, perché viene ancora usato raramente sul mercato? Dov'è la sua opportunità di sviluppo?
In effetti, ciascuno dei tre materiali ha i suoi vantaggi e svantaggi. Ad esempio, sebbene la conduttività termica dell'ossido di alluminio sia scarsa e non possa tenere il passo con la tendenza di sviluppo del semiconduttore ad alta potenza, il suo processo di produzione è maturo e il costo è basso, quindi c'è ancora una grande domanda nel campo di fascia bassa . La conduttività termica del nitruro di alluminio è meglio abbinata a quella dei materiali a semiconduttore. Può essere utilizzato nelle industrie di fascia alta, ma le sue prestazioni meccaniche sono scarse, influiscono sulla vita dei dispositivi a semiconduttore e il suo costo di utilizzo è elevato. Il nitruro di silicio è il migliore in prestazioni complete, ma la soglia di ingresso è alta.
Al momento, molti istituti di ricerca scientifica nazionale e imprese stanno studiando, ma la tecnologia è difficile, il costo di produzione è elevato, il mercato è piccolo e l'applicazione su larga scala non è ancora apparsa. Questo è anche il motivo per cui molte imprese stanno ancora aspettando di vedere e non hanno deciso di aumentare gli investimenti. Ma ora la situazione è diversa, perché il mondo è entrato in un periodo critico per lo sviluppo del semiconduttore di terza generazione. I substrati ceramici di nitruro di silicio hanno prodotti maturi negli Stati Uniti e nel Giappone. La Cina ha ancora molta strada da fare in questo senso.
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