Vor- und Nachteile von Siliziumnitridkeramik
Siliziumnitridkeramik ist ein fortschrittliches Keramikmaterial, das hauptsächlich aus Siliziumnitrid (Si3N4) besteht. Dieses Material verfügt über einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften, wodurch es sehr vielseitig einsetzbar ist und häufig in
verschiedene Branchen.
Vorteile von Siliziumnitrid (Si3N4)-Keramik
1. Hohe Temperaturbeständigkeit
Siliziumnitridkeramik (Si3N4) weist eine ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit auf. Sie zersetzt sich unter Normaldruck bei etwa 1870 °C und kann Oxidation bis 1400 °C widerstehen, wobei die praktischen Einsatztemperaturen 1200 °C erreichen (über dieser kann ihre mechanische Festigkeit abnehmen). Dies macht sie ideal für Hochtemperaturumgebungen wie die Luft- und Raumfahrt, Automotoren und andere anspruchsvolle Anwendungen.
2. Hohe Härte und Festigkeit
Siliziumnitridkeramik weist eine Härte auf, die nur von Diamant, kubischem Bornitrid und Siliziumkarbid übertroffen wird, und übertrifft damit andere Keramikmaterialien bei weitem. Ihre Biegefestigkeit bei Raumtemperatur kann 720 MPa übersteigen, was mit legiertem Stahl vergleichbar ist, und ihre Festigkeit bleibt bis 1200 °C stabil. Dies führt dazu, dass Si3N4-Keramik häufig in ultrafeinen verschleißfesten Anwendungen und Schneidwerkzeugen für Werkzeugmaschinen eingesetzt wird.
3. Thermische Stabilität
Mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer hohen Wärmeleitfähigkeit bietet Siliziumnitridkeramik eine ausgezeichnete Thermoschockbeständigkeit. Sie übersteht Thermoschocks von Raumtemperatur bis 1000 °C ohne Rissbildung und eignet sich daher für den Einsatz in Glühkerzen für Dieselmotoren und elektrischen Heizelementen.
4. Korrosionsbeständigkeit
Si3N4-Keramik ist chemisch stabil und korrosionsbeständig. Sie reagiert nicht mit den meisten anorganischen Säuren, außer Flusssäure. Sie verträgt alkalische Lösungen mit Konzentrationen von 30 % oder weniger und ist beständig gegen viele organische Substanzen. Aufgrund ihrer Beständigkeit gegen geschmolzene Metalle, insbesondere Aluminium, wird sie in der Aluminiumgussindustrie häufig für Komponenten wie Si3N4-Steigrohre, Entgasungsrohre und Rotoren verwendet.
5. Geringe Dichte
Siliziumnitridkeramik hat eine Dichte von etwa 40 % der von Lagerstahl und eignet sich daher gut für Leichtbauanwendungen. Dies trägt zu geringerem Verschleiß bei und verbessert die Betriebseffizienz.
6. Selbstschmierende Eigenschaften
Bei ölarmen oder trockenen Reibungsbedingungen zeigt Siliziumnitridkeramik eine außergewöhnliche Leistung bei der Reduzierung von Reibung und Verschleiß. Dies macht sie ideal für Anwendungen unter schwierigen Schmierbedingungen, insbesondere bei Lagerkugeln und Lagern aus Si3N4, die in extremen Umgebungen häufig eingesetzt werden.
Nachteile von Siliziumnitrid (Si3N4)-Keramik
1. Sprödigkeit
Obwohl Siliziumnitridkeramik eine bessere Bruchzähigkeit als viele andere Keramiken aufweist, ist sie dennoch spröde. Aufgrund dieser Sprödigkeit bricht oder zersplittert sie bei Stößen oder Vibrationen, was ihren Einsatz in Anwendungen, die eine hohe Zähigkeit erfordern, einschränkt.
2. Schwer zu bearbeiten
Aufgrund der hohen Härte und Verschleißfestigkeit von Siliziumnitrid sowie seiner Sprödigkeit sind Bearbeitungsprozesse wie Schneiden und Bohren nach der Formung des Materials zu einer Keramik eine Herausforderung. Dies erhöht die Produktionskosten erheblich.
3. Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient
Die geringe Wärmeausdehnung von Siliziumnitrid trägt zwar zu seiner Dimensionsstabilität und Temperaturwechselbeständigkeit bei, kann aber in Kombination mit Materialien mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie etwa Metallen, zu Grenzflächenspannungen führen. Dies kann die Gesamtzuverlässigkeit der Komponenten beeinträchtigen.
4. Schlechte elektrische Leitfähigkeit
Siliziumnitridkeramik ist ein ausgezeichneter elektrischer Isolator, was bei Anwendungen zur elektrischen Isolierung von Vorteil ist. In Szenarien, in denen elektrische Leitfähigkeit erforderlich ist, wird diese Eigenschaft jedoch zur Einschränkung.
