Karakteristik Kinerja Silikon Nitrida: Kekuatan, Kejutan Termal, dan Stabilitas Kimia

Apa Itu Silikon Nitrida dan Bagaimana Cara Produksinya

Silikon nitrida (Si3N4) adalah senyawa kovalen silikon dan nitrogen. Kedua unsur tersebut berlimpah, namun senyawa tersebut tidak terbentuk secara alami dalam bentuk yang dapat digunakan, sehingga diproduksi secara sintetis. Rute industri mencakup ikatan reaksi, di mana bubuk silikon dinitridasi dalam atmosfer terkendali, dan rute sintering di mana bubuk silikon nitrida dengan bantuan sintering oksida dipadatkan melalui sintering tanpa tekanan, sintering tekanan gas, atau pengepresan isostatik panas. Nilai komersial biasanya mencapai sekitar 95% hingga 99% dari kepadatan teoritis, dan kepadatan tersebut adalah titik awal untuk setiap properti yang dijelaskan di bawah.

Kekuatan dan Kekerasan Mekanik

Silikon nitrida sinter memiliki kekuatan mekanik yang tinggi dan kekerasan yang baik. Kekuatan lentur pada suhu ruangan umumnya dilaporkan pada 980 MPa ke atas, sebanding dengan baja paduan, dan sebagian besar kekuatan tersebut dipertahankan hingga sekitar 1200 derajat Celcius, yang merupakan hal yang tidak biasa untuk keramik rekayasa. Kekerasan Vickers dengan kualitas padat biasanya berkisar antara 1400 hingga 1700 HV, mendekati kekerasan keramik aluminium oksida padat. Dalam kontak geser, material berperilaku seperti keramik yang dapat melumasi sendiri, memberikan gesekan rendah dan ketahanan aus yang baik tanpa pelumasan eksternal. Kekuatan lentur biasanya diverifikasi berdasarkan ISO 14704 pada suhu kamar dan ISO 17565 pada suhu tinggi, dengan ASTM C1161 diterima sebagai alternatif, sedangkan kekerasan mengikuti ISO 14705.

Sifat Termal dan Ketahanan Guncangan Termal

Silikon nitrida memiliki koefisien muai panas yang rendah, berkisar antara 3,0 hingga 3,3 x 10 pangkat minus 6 per Kelvin, bersama dengan konduktivitas termal yang berguna, sehingga tahan retak pada perubahan suhu yang tiba-tiba. Kualifikasi umum adalah pendinginan dari suhu kamar hingga kisaran 1000 derajat Celcius tanpa pembentukan retakan yang terlihat. Ekspansi rendah, kekuatan tinggi, dan konduktivitas sedang bersama-sama menjelaskan mengapa bahan tersebut dipilih untuk pin lokasi pengelasan, tabung pelindung termokopel, dan bagian kontak logam cair di mana siklus termal berlangsung terus menerus.

Ketahanan Kimia

Bahan tersebut memiliki kimia yang stabil. Ia menolak hampir semua asam anorganik, dengan pengecualian asam fluorida, dan menolak larutan natrium hidroksida di bawah konsentrasi sekitar 30%. Banyak media organik yang mempunyai pengaruh kecil terhadap hal tersebut. Ia tidak tahan terhadap lelehan logam non-besi, dan khususnya lelehan aluminium akan membasahi dan menyerang permukaan, sehingga pencelupan langsung ke dalam lelehan aluminium memerlukan lapisan penghalang atau bahan lain. Silikon nitrida juga tahan terhadap paparan radiasi yang kuat tanpa kehilangan sifat mekanik yang besar.

Kepadatan, Sifat Listrik dan Fisik Lainnya

Kepadatan biasanya 3,1 hingga 3,3 gram per sentimeter kubik, kira-kira dua perlima dari baja, sehingga mengurangi beban sentrifugal pada bagian yang berputar dengan kecepatan tinggi. Bahan tersebut merupakan isolator listrik yang baik, dengan resistivitas volume berkisar antara 10 hingga daya 12 hingga 10 hingga daya 14 ohm sentimeter pada suhu kamar, dan kekuatan dielektrik yang cocok untuk mengisolasi komponen pada peralatan listrik. Kepadatan dan porositas semu biasanya diperiksa sesuai ISO 18754.

Bentuk dan Kegunaan Industri yang Khas

Bola dan roluntuk bantalan keramik dan hibrida penuh yang memerlukan isolasi listrik dan kemampuan kecepatan tinggi.

Cincin segel dan permukaan segel mekanisuntuk pompa yang menangani lumpur abrasif dan cairan kimia agresif.

Semak pemandu, pin las, dan pin lokasidalam perkakas las otomotif dan resistansi.

Nozel dan liner ausuntuk kontrol aliran abrasif dan erosif.

Tabung pelindung termokopel dan tabung riserdi toko peleburan aluminium dan non besi lainnya, digunakan di atas garis leleh.

Substrat dan bagian isolasidalam elektronika daya dan peralatan listrik suhu tinggi.

Catatan Seleksi dan Kontrol Kualitas

Pertanyaan yang Sering Diajukan

T: Apakah silikon nitrida terdapat di alam?
Tidak. Silikon dan nitrogen adalah unsur yang umum, namun silikon nitrida alami tidak ditemukan dalam endapan yang dapat digunakan, sehingga semua bahan industri disintesis, biasanya dengan silikon nitridasi atau dengan sintering bubuk silikon nitrida.

T: Mengapa material ini sangat tahan terhadap guncangan termal?
Ekspansi termal yang rendah membatasi regangan yang dihasilkan oleh gradien suhu, sementara kekuatan dan konduktivitas termal memungkinkan komponen tersebut bertahan dalam pendinginan dari suhu kamar hingga sekitar 1000 derajat Celcius.

T: Bahan kimia apa yang menyerang silikon nitrida?
Asam fluorida menyerangnya, natrium hidroksida pekat panas menyerang permukaan, dan logam non-besi cair membasahinya, dengan aluminium cair menjadi kasus umum yang paling agresif.

T: Dapatkah silikon nitrida digunakan di dalam aluminium cair?
Tidak bersentuhan langsung. Aluminium cair membasahi dan melarutkan permukaan, sehingga komponen yang digunakan dalam lelehan memerlukan lapisan pelindung atau keramik yang berbeda, meskipun tabung yang digunakan di atas garis leleh memiliki kinerja yang baik.

T: Bagaimana kepadatannya dibandingkan dengan baja?
Kepadatan umumnya adalah 3,1 hingga 3,3 gram per sentimeter kubik, sekitar dua perlima dari baja, sehingga menurunkan tekanan sentrifugal pada bagian yang berputar cepat.

T: Standar apa yang berlaku untuk komponen silikon nitrida?
ISO 14704 dan ISO 17565 untuk kekuatan lentur, ISO 14705 untuk kekerasan, ISO 18754 untuk kepadatan dan porositas, dan ASTM C1161 sebagai metode kekuatan suhu ruangan yang diterima.