نتريد السيليكون – سيراميك هيكلي يتميز بأفضل أداء شامل

يشير مصطلح "الخزف الخاص" إلى فئة من الخزف تتميز بخصائص ميكانيكية أو فيزيائية أو كيميائية فريدة، حيث تختلف المواد الخام المستخدمة وتقنيات الإنتاج المطلوبة اختلافًا كبيرًا عن الخزف العادي. ويمكن تقسيم الخزف الخاص، وفقًا لخصائصه واستخداماته، إلى فئتين رئيسيتين: الخزف الإنشائي والخزف الوظيفي. ومن بين هذه الفئات، يشير الخزف الإنشائي إلى الخزف الذي يُستخدم كمواد إنشائية هندسية، والذي يتميز عمومًا بقوة وصلابة عاليتين، ومعامل مرونة عالٍ، ومقاومة عالية للحرارة، ومقاومة للتآكل، ومقاومة للتآكل الكيميائي، ومقاومة للأكسدة، ومقاومة للصدمات الحرارية، وغيرها من الخصائص.

توجد أنواع عديدة من السيراميك الهيكلي، ولكل منها مزايا وعيوب، كما أن اتجاه تطبيق هذه المزايا والعيوب يختلف، ومن بينها "سيراميك نتريد السيليكون" الذي يتميز بتوازن الأداء في جميع الجوانب، ويُعرف بأنه الأكثر تميزًا من حيث الأداء الشامل في عائلة السيراميك الهيكلي، وله نطاق واسع للغاية من التطبيقات.

مزايا سيراميك نتريد السيليكون

يمكن تقسيم نتريد السيليكون (Si3N4) إلى مركبات بروابط تساهمية، حيث تُعدّ وحدة البناء الأساسية هي رباعي الأوجه [SiN4]4. ويمكن ملاحظة المواقع المحددة لذرات النيتروجين والسيليكون في الشكل أدناه؛ إذ يقع السيليكون في مركز رباعي الأوجه، بينما تشغل ذرات النيتروجين مواقع رؤوسه الأربعة، ثم تتشارك كل أربعة رباعيات أوجه بذرة واحدة، ممتدةً باستمرار في الفضاء ثلاثي الأبعاد، لتشكل في النهاية بنية شبكية. وترتبط العديد من خصائص نتريد السيليكون بهذه البنية رباعية الأوجه.

يوجد لنيتريد السيليكون ثلاثة هياكل بلورية، هي أطوار ألفا وبيتا وجاما، ويُعدّ طورا ألفا وبيتا الأكثر شيوعًا. نظرًا لارتباط ذرات النيتروجين بقوة شديدة، يتمتع نيتريد السيليكون بقوة وصلابة عاليتين، ومقاومة عالية للحرارة، حيث تصل صلابته إلى 91-93 HRA. كما يتميز بصلابة حرارية جيدة، إذ يتحمل درجات حرارة عالية تتراوح بين 1300 و1400 درجة مئوية. ويؤدي تفاعله الكيميائي المحدود مع الكربون والعناصر المعدنية إلى انخفاض معامل الاحتكاك. وهو ذاتي التشحيم، وبالتالي مقاوم للتآكل. يتمتع بمقاومة عالية للتآكل، فهو لا يتفاعل مع الأحماض غير العضوية الأخرى باستثناء حمض الهيدروفلوريك، كما أنه مقاوم للأكسدة عند درجات الحرارة العالية. يتميز أيضًا بمقاومة جيدة للصدمات الحرارية، فلا يتفتت عند التبريد المفاجئ في الهواء ثم التسخين المفاجئ. يقل زحف سيراميك نيتريد السيليكون عند درجات الحرارة العالية، ويكون التشوه اللدن البطيء ضئيلاً تحت تأثير درجات الحرارة العالية والأحمال الثابتة.

بالإضافة إلى ذلك، تتميز سيراميك نتريد السيليكون بقوة نوعية عالية، ونمط نوعي عالي، وموصلية حرارية عالية، وخصائص كهربائية ممتازة، وغيرها من المزايا، لذا فهي تتمتع بقيمة تطبيقية خاصة في البيئات القاسية مثل درجات الحرارة العالية والسرعات العالية والوسائط المسببة للتآكل الشديد، وتعتبر واحدة من أكثر مواد السيراميك الهيكلية الواعدة للتطوير والتطبيق، وغالبًا ما تصبح الخيار الأول في العديد من التطبيقات التي تحتاج إلى اختبار.