Pourquoi la céramique au nitrure de silicium est-elle adaptée à la roulement?
2023-07-03
Avec le développement de la fabrication de machines vers une feuille de céramique en alumine élevée et une vitesse élevée, la portée de l'application des roulements devient de plus en plus large, et les exigences pour les performances des roulements deviennent de plus en plus élevées. Surtout dans certains environnements de travail spéciaux, les roulements en métal ne peuvent pas répondre aux besoins, ni même fonctionner complètement. Les matériaux en céramique sont devenus les matériaux idéaux pour les roulements de précision de fabrication à grande vitesse en raison de leur faible densité, de leur module élastique élevé, de leur petit coefficient d'expansion linéaire, de leur résistance à l'usure, de leur résistance à haute température, de la résistance à la corrosion et d'autres excellentes propriétés.
1. Avantages et caractéristiques des céramiques au nitrure de silicium
Bien que le nitrure de silicium ne soit pas le plus difficile et le plus difficile de la céramique industrielle, il est considéré comme ayant les meilleures propriétés mécaniques et physiques dans les applications de roulement nécessitant des performances élevées. Voyons maintenant les avantages du nitrure de silicium par rapport aux autres matériaux de roulement.
Comparaison des performances de cinq matériaux de bar en céramique en alumine
Résistance à la chaleur
Généralement, lorsque la température de service des roulements en acier dépasse 120 ℃, la dureté et la durée de vie des roulements diminueront. Le nitrure de silicium a de bonnes caractéristiques de température, particulièrement adaptées à un environnement à haute température.
force centrifuge
La densité du nitrure de silicium est d'environ 3,24 × 103 kg / m3, tandis que la densité de l'acier de roulement est d'environ 7,8 × 103 kg / m3, ce qui ne représente que 40% de la densité de l'acier de roulement, donc lorsque l'élément de roulement utilise le roulement, Le roulement peut restreindre l'augmentation de la charge d'élément de roulement causée par la force centrifuge lors de la rotation à grande vitesse.
Coefficient d'expansion linéaire
Le coefficient d'expansion linéaire du nitrure de silicium est d'environ 1/4 de celui de l'acier de roulement, donc le changement de taille avec la température est faible, il est donc bénéfique à utiliser dans l'environnement avec un grand changement de température.
Dureté, coefficient d'élasticité, ratio de Poisson
Étant donné que le coefficient élastique du nitrure de silicium est environ 1,5 fois celui de l'acier de roulement, la déformation élastique de la charge relative est petite et la rigidité de la charge relative est élevée.
Résistance à la corrosion, non magnétique, isolation
Lorsque des roulements en acier sont utilisés pour les machines utilisées dans l'équipement de machines chimiques, la nourriture, la marine et d'autres départements, la corrosion est un problème. Dans un environnement magnétique fort, lorsque des roulements en acier sont utilisés, la poudre fine usée du roulement lui-même est adsorbée entre l'élément de roulement et la surface de roulement, ce qui deviendra la principale raison des dommages à l'épargne prématurée et au bruit accru.
2. Préparation du nitrure de silicium Roulement en céramique
Processus de préparation du nitrure de silicium en céramique en alumine piston en céramique portant
Préparation de la poudre de céramique au nitrure de silicium
La poudre de nitrure de silicium pour les pièces de portage doit avoir les caractéristiques importantes suivantes: élevée de pureté; Particules très uniformes et fines; α une teneur élevée en phase. La méthode la plus appropriée pour préparer la poudre de nitrure de silicium est la méthode de nitridation de réduction carbothermale, avec la formule de réaction de 3SIO2 + 6C + 2N2 = SI3N4 + 6CO. La poudre obtenue par cette méthode a moins d'impuretés métalliques, de haute pureté et de particules fines, une teneur en phase élevée, répondant aux exigences des matériaux pour les pièces de portage.
Forme de pièces liées à la céramique de nitrure de silicium
Il existe de nombreuses méthodes de préparation de parties en céramique de nitrure de silicium, telles que le frittage de réaction, le frittage à chaud, le frittage sans pression et le frittage de réaction secondaire. Afin d'obtenir un matériau de nitrure de silicium entièrement dense, la méthode de pressage isostatique chaud est idéale.
Usinage des pièces liées au roulement en céramique de nitrure de silicium
L'usinage des pièces liées au roulement en céramique de nitrure de silicium est essentiellement similaire à celle des pièces en acier de roulement, et le mécanisme de broyage est fondamentalement le même. Cependant, en raison des grandes différences entre les différentes propriétés du nitrure de silicium et de l'acier, il existe des différences considérables dans les outils de broyage, les facteurs de traitement, les mélanges de broyage, etc. dans le traitement mécanique et les exigences de la céramique de zircone à chaque processus pour la taille des particules, le type , la forme, la quantité, la résistance, les caractéristiques d'écrasement, les caractéristiques d'usure, etc. des abrasifs sont différents. À l'heure actuelle, les abrasifs utilisés comprennent principalement du carbure de silicium, du carbure de bore, de la poudre de diamant, etc.
Assemblage de nitrure de silicium roulement en céramique
Généralement, les roulements roulants sont composés de quatre pièces principales, à savoir la bague extérieure, l'anneau intérieur, l'élément de roulement et la cage. Comme il existe dix catégories de roulements, différents types de roulements adoptent différentes formes de cage, de sorte que les méthodes d'assemblage des roulements sont également différentes.
Le roulement en céramique en nitrure de silicium, en tant que composant de base mécanique important, ouvre la voie dans le monde du nouveau matériau en raison de ses excellentes caractéristiques que les autres roulements ne peuvent pas correspondre. Ces dernières années, dans les domaines de l'aérospatiale, de la navigation, de l'industrie nucléaire, du pétrole, de l'industrie chimique, de l'industrie textile légère, des machines, de la métallurgie, de l'énergie électrique, de la nourriture, de la locomotive, du métro, des machines-outils à grande vitesse, de la recherche scientifique, de la défense et de la technologie militaire , etc., les roulements en céramique en nitrure de silicium sont de plus en plus reconnus comme des substituts indispensables dans des conditions de travail spéciales telles que la température élevée, la vitesse élevée, le froid profond, l'inflammable, l'explosif, la forte corrosion, le vide, l'isolation électrique, le frottement non magnétique, sec, etc.
Caractéristiques du substrat en céramique au nitrure de silicium:
Avec la miniaturisation de l'équipement électronique haute performance et de ses composants, la dissipation de la chaleur est devenue un facteur clé affectant les performances et la fiabilité. Étant donné que le flux de chaleur élevé entraînera une dégradation des performances et une durée de vie raccourcie, parmi les différentes technologies de dissipation thermique, le système de radiateur est les pièces céramiques en zircone utiles et commode à la miniaturisation, car elle peut faire partie du système d'emballage microélectronique.
Substrat en céramique LED
Comme nous le savons tous, la chaleur générée lors du fonctionnement des dispositifs semi-conducteurs est le facteur clé qui provoque la défaillance des dispositifs semi-conducteurs, et la conductivité thermique du substrat d'isolation électrique est la clé de la dissipation de chaleur de l'ensemble des appareils semi-conducteurs. Le radiateur est composé d'une couche de circuit métallique et d'un substrat en céramique, comme le nitrure d'aluminium, le nitrure de silicium, le carbure de silicium et l'oxyde d'aluminium. Parmi ces substrats céramiques, le nitrure de silicium est considéré comme prometteur en raison de son excellente conductivité thermique (60-90W / MK), de sa résistance mécanique élevée (650-850 MPa) et du coefficient d'expansion faible. En fait, le substrat en céramique de nitrure de silicium est généralement déposé sur le substrat via des processus de cuivre de liaison directe (DBC) et de placage de cuivre direct (DPC). DBC obtient une adhésion accrue par un verrouillage mécanique entre le film métallique déposé à haute température et le substrat, tandis que le DPC atteint une adhésion améliorée en formant une couche de graines par dépôt sous vide.
De plus, en raison de l'environnement mécanique complexe tel que la turbulence et les vibrations, des matériaux de substrat avec une certaine fiabilité mécanique sont également nécessaires. Le substrat céramique au nitrure de silicium est relativement équilibré dans tous les aspects et est le matériau en céramique structurel avec les meilleures performances complètes. Par conséquent, le nitrure de silicium a une forte compétitivité dans le domaine de la fabrication de substrats en céramique pour les appareils électroniques.
Substrat en céramique au nitrure d'aluminium
Dans le passé, les substrats de circuit étaient des matériaux planaires composés de composants discrets ou de circuits intégrés et de composants discrets pour répondre aux exigences fonctionnelles du circuit global. Il ne nécessite que l'isolation électrique et la conductivité. Après être entré dans l'ère de l'information intelligente, l'équipement électronique de puissance est également nécessaire pour pouvoir convertir et contrôler l'énergie électrique, ce qui améliore considérablement les exigences de performance de contrôle électrique et de conversion de puissance de l'équipement ainsi que la consommation d'énergie de fonctionnement. En conséquence, le substrat commun ne peut plus répondre aux exigences élevées de réduction de la résistance thermique des dispositifs d'alimentation complexes, de contrôler la température de travail et d'assurer la fiabilité, et le substrat en céramique avec de meilleures performances doit être remplacé.
Selon les exigences de performance des appareils électroniques sur le substrat en céramique, les matériaux de substrat doivent avoir les propriétés suivantes:
1. Bonne isolation et dégradation électrique Résistance aux brides en céramique;
2. Haute conductivité thermique: la conductivité thermique affecte directement les conditions de travail et la durée de vie des semi-conducteurs. Le champ de température inégal causé par une mauvaise dissipation de la chaleur augmentera également considérablement le bruit des dispositifs électroniques;
3. Le coefficient d'extension thermique correspond aux autres matériaux utilisés dans l'emballage;
4. Caractéristiques de fréquence élevée, faible constante diélectrique, faible perte diélectrique;
5. La surface est lisse et l'épaisseur est uniforme, ce qui est pratique pour imprimer le circuit à la surface du substrat et assure l'épaisseur uniforme du circuit imprimé;
Substrat en céramique
À l'heure actuelle, les matériaux de substrat en céramique les plus utilisés sont principalement l'oxyde d'aluminium et le nitrure d'aluminium. Comment le nitrure de silicium se compare-t-il à ses performances? Le tableau suivant montre que les trois matériaux de substrat en céramique présentent des avantages évidents, en particulier la résistance à haute température des matériaux de substrat céramique au nitrure de silicium dans des conditions à haute température, une inertie chimique aux métaux, une dureté ultra-élevée, une ténacité de fracture et d'autres propriétés mécaniques.
Étant donné que le nitrure de silicium est si excellent, pourquoi est-il toujours rarement utilisé sur le marché? Où est son opportunité de développement?
En fait, chacun des trois matériaux présente ses avantages et ses inconvénients. Par exemple, bien que la conductivité thermique de l'oxyde d'aluminium soit mauvaise et ne peut pas suivre la tendance de développement du semi-conducteur de haute puissance, son processus de fabrication est mature et le coût est faible, il y a donc une demande importante dans le champ bas de gamme . La conductivité thermique du nitrure d'aluminium est mieux adaptée à celle des matériaux semi-conducteurs. Il peut être utilisé dans les industries haut de gamme, mais ses performances mécaniques sont médiocres, affectant la durée de vie des appareils semi-conducteurs, et son coût d'utilisation est élevé. Le nitrure de silicium est le meilleur des performances complètes, mais le seuil d'entrée est élevé.
À l'heure actuelle, de nombreux instituts et entreprises de recherche scientifique nationaux étudient, mais la technologie est difficile, le coût de production est élevé, le marché est petit et l'application à grande échelle n'est pas encore apparue. C'est aussi la raison pour laquelle de nombreuses entreprises attendent toujours de voir et n'ont pas décidé d'accroître les investissements. Mais maintenant, la situation est différente, car le monde est entré dans une période critique pour le développement du semi-conducteur de troisième génération. Les substrats en céramique au nitrure de silicium ont des produits matures aux États-Unis et au Japon. La Chine a un long chemin à parcourir à cet égard.
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