Нитрид кремния

Нитрид кремния керамика - это усовершенствованная инженерная керамика с высокой прочностью, прочностью на разрыв, твердостью и хорошей химической и тепловой стабильностью. Он также обладает уникальным наследием и является идеальным материалом для многих применений, включая медицинские имплантаты. Сочетание фрикционных, химических и биологических совместимых характеристик материала делает его подходящим выбором для многих ортопедических имплантатов. К ним относятся высокая прочность на сжатие и изгиб, очень низкий коэффициент трения, сильная коррозионная стойкость, улучшенная медицинская визуализация в качестве материала для пропускания лучей, улучшенная биологическая совместимость, костная интеграция и антимикробная активность.

Высокая прочность на растяжение

По сравнению с другими материалами, нитрид кремния керамики имеет более высокую прочность на растяжение. Это делает его идеальным материалом для применения, требующего высокой прочности на растяжение. Кроме того, он долговечный, износостойкий и деформационный. Этот материал может использоваться для изготовления различных промышленных деталей, включая лопасти турбины и другие детали газовой турбины. Он также может использоваться для высокотемпературных применений, таких как скважины и реактивные двигатели, а также для медицинских устройств, таких как зубные имплантаты и черепно - челюстные имплантаты. Доказано, что он может подавлять бактерии, такие как одноклеточные бактерии десной порфирины, которые могут вызвать заболевания десен. Для обеспечения максимальной прочности на растяжение готового продукта важно использовать соответствующий процесс спекания. Этот процесс должен осуществляться в чистой среде. Это поможет предотвратить попадание загрязнителей и загрязняющих частиц в конечный продукт. Одним из способов достижения этого является выбор высококачественного спеченного порошка. Он должен содержать высокую концентрацию оксида кремния и не содержать сульфатов. Он также должен содержать низкопроцентные добавки для спекания нитратов, чтобы уменьшить размер зерна и повысить прочность керамики на растяжение.

Высокая прочность на изгиб

Высокая прочность на изгиб керамики из нитрида кремния делает ее доступной для многих различных применений. Этот материал особенно подходит для применения, которое должно выдерживать высокое напряжение (например, автомобильные компоненты или подшипники) или экстремальные условия (включая морскую среду). Это связано с низким коэффициентом теплового расширения. Его запертая структура зерна также означает, что он сохраняет прочность при высоких температурах, уменьшает износ и деформацию. Помимо высокой прочности на изгиб, керамика из нитрида кремния также обладает отличной прочностью на разрыв. Эта особенность имеет решающее значение для изготовления сложных деталей, которые должны выдерживать значительные изгибы и сжатия, что, в свою очередь, делает их идеальным материалом для различных применений, включая плавучие модули и корпуса давления для глубоководных транспортных средств. Поэтому было проведено большое количество исследований для подтверждения надежности керамики Si3N4 в качестве корпуса под давлением. Согласно одному из исследований, керамика Si3N4 является лучшим конструкционным материалом для корпуса под давлением. Это имущество имеет особенно важное значение в морской технике, поскольку широкий спектр применений, применяемых в глубоководных районах под давлением, требует высокой прочности на сжатие и низкой плотности. Для этого был разработан новый процесс. Этот процесс может быть применен к другим конструкционным керамикам и обеспечивает большую свободу для морских инженеров при проектировании корпусов под давлением.

Высокая вязкость при разрыве

Нитрид кремния керамика - это класс передовой инженерной керамики с широким спектром термомеханического оборудования. К ним относятся высокая прочность, прочность на разрыв, твердость и износостойкость. Они используются в различных структурах и электронных приложениях. Они также имеют низкий коэффициент трения, который помогает снизить вероятность механических неисправностей. Устойчивость к разрыву нитрида кремния зависит от размера и формы отдельного зерна, а также от объемной доли стеклянной фазы на границе зерна. Кроме того, это может зависеть от ориентации отдельных зерен. Для изготовления прочной и механически эластичной цельной нитридной кремниевой керамики порошок - прекурсор a - Si3N4 спекается при температуре выше 1550°C, образуя оксиды магния, алюминия или иттрия в качестве связующего материала. Эти оксиды образуют тонкий слой пятикомпонентной стеклянной пленки Si - Al - Y - O - N, которая растворяет частицы нитрида кремния,Это приводит к эффективному уплотнению конечного цельного материала. Однако для изготовления керамики с плотной и однородной микроструктурой необходимо применять сложную технологию текстуры. В процессе спекания криогенная фаза a - Si3N4 превращается в фазу b - Si3N44 путем так называемого ткачества. Это привело к тому, что стержневая форма с определенной микроструктурой значительно улучшила механические и тепловые свойства конечного цельного материала. Эти уникальные свойства делают нитрид кремния захватывающим новым биокерамическим материалом для многих медицинских применений. Они включают в себя высокую прочность на сжатие и изгиб, высокую вязкость при разрушении, низкий коэффициент трения, сильную коррозионную стойкость, улучшенную медицинскую визуализацию в качестве материала для пропускания лучей, улучшенную биосовместимость и интеграцию костей, а также противомикробную активность.

Коррозионная стойкость

Нитрид кремния керамика известна своей коррозионной стойкостью. Во многом это связано с их мощными атомными связями, которые предотвращают коррозию материала. Это имеет решающее значение для металлургической промышленности, поскольку многие устройства используют металлы, которые подвержены ржавчине и коррозии. Поверхность материала обладает высокой степенью биосовместимости и подходит для контакта кости с имплантатом. Это важно для стабильности и долгосрочного износа имплантата. Это также означает, что материал обладает высокой толерантностью к кислотным и щелочным растворам при комнатной температуре, что необходимо при попытке имплантировать искусственные имплантаты в организм человека. Например, нитрид кремния может использоваться в широком спектре медицинских применений, таких как износостойкие подшипники для имплантатов тазобедренного и коленного суставов, новые зубные имплантаты, Межпозвоночные перегородки, стенты тканевой инженерии, антибактериальные и противовирусные покрытия, волноводы для медицинской диагностики, микротрубки для интеллектуальных нейронных цепей, фотонные IC, оптические биодатчики и т. Д. Помимо биосовместимости, поверхность нитрида кремния также известна своими антибактериальными свойствами. Он может эффективно инактивировать одноцепочечные РНК (ssRNA) - вирусы, такие как вирус SARS - CoV - 2. Коррозия является одним из наиболее важных факторов, влияющих на срок службы материала. Именно поэтому многие компоненты, используемые при обработке и литье расплавленного металла, требуют высокой коррозионной стойкости. В этих приложениях наличие коррозии повышает риск безопасности на заводе.

Биологическая совместимость

Нитрид кремния керамика, используемая во многих промышленных применениях благодаря своему превосходному механическому имуществу, является кандидатом для будущих биомедицинских применений. В ортопедических, стоматологических, сердечно - сосудистых и офтальмологических протезах их костная интеграция и антибактериальная активность против бактерий и вирусов превосходят антибактериальную активность титана и других стационарных материалов. Керамические материалы могут быть изготовлены из порошка двумя широко используемыми методами, а именно реакционными связями и термической статической обработкой (HIP). Реакционные связи включают добавление оксида в порошок нитрида кремния, а затем азотирование при нагревании. Этот процесс создает плотный цельный керамический корпус с хорошей пористостью и высокой прочностью. Тем не менее, стоимость этой технологии довольно высока и ограничивается простой геометрией, которая редко достаточна для биомедицинского оборудования и применений. В случае HIP керамические тела получают путем нагрева смеси порошка и оксида в тигле выше 1550 градусов по Цельсию. Эта температура способна расплавить загрязняющую пленку диоксида кремния вокруг отдельных частиц нитрида кремния. Этот процесс позволяет сделать материал компактным и равномерным, увеличить пористость, значение прочности выше HP. В процессе изготовления также используется несколько добавок для увеличения механического имущества материала. К ним относятся такие добавки, как иттрий и алюминий, которые могут быть добавлены в порошок Si3N4 во время нагрева или в качестве связующего материала. Кроме того, эти добавки могут повысить прочность на растяжение готовой керамики. Уникальные поверхностные химические свойства нитрида кремния обеспечивают благоприятную среду для формирования костей и интеграции имплантатов с живой костной тканью (костная интеграция). Это свойство основано на сочетании химического состава поверхности нитрида кремния, его повышенного контакта с живыми костями и его способности подавлять рост бактерий путем окисления и нитрификации пероксинитритов.