Speciale keramiek verwijst naar een klasse keramiek met bijzondere mechanische, fysische of chemische eigenschappen. De gebruikte grondstoffen en de vereiste productietechnologie verschillen aanzienlijk van die van gewone keramiek. Op basis van de kenmerken en toepassingen kan speciale keramiek worden onderverdeeld in twee categorieën: constructiekeramiek en functionele keramiek. Constructiekeramiek omvat keramiek dat gebruikt kan worden als constructiemateriaal en dat over het algemeen eigenschappen heeft zoals hoge sterkte, hoge hardheid, hoge elasticiteitsmodulus, hoge temperatuurbestendigheid, slijtvastheid, corrosiebestendigheid, oxidatiebestendigheid en thermische schokbestendigheid.
Er bestaan veel soorten structurele keramiek, elk met hun eigen voor- en nadelen, en de toepassingsgebieden verschillen. Siliciumnitridekeramiek staat, vanwege de uitgebalanceerde prestaties op alle vlakken, bekend als de meest uitstekende structurele keramieksoort met een extreem breed scala aan toepassingen.
Voordelen van siliciumnitridekeramiek
Siliciumnitride (Si3N4) kan worden onderverdeeld in covalente verbindingen, met [SiN4]4-tetraëders als structurele eenheid. De specifieke posities van stikstof- en siliciumatomen zijn te zien in de onderstaande afbeelding: silicium bevindt zich in het midden van de tetraëder, de vier hoekpunten van de tetraëder worden ingenomen door stikstofatomen, en vervolgens delen drie tetraëders één atoom, waardoor de structuur zich continu uitstrekt in de driedimensionale ruimte. Uiteindelijk wordt een netwerkstructuur gevormd. Veel eigenschappen van siliciumnitride zijn gerelateerd aan deze tetraëderstructuur.
Siliciumnitride kent drie kristallijne structuren: de α-, β- en γ-fasen. De α- en β-fasen zijn de meest voorkomende vormen van siliciumnitride. Doordat de stikstofatomen zeer stevig gebonden zijn, heeft siliciumnitride een goede sterkte, hoge hardheid en hoge temperatuurbestendigheid. De hardheid kan oplopen tot HRA 91-93. Het materiaal heeft een goede thermische stijfheid en kan temperaturen van 1300-1400 °C weerstaan. De geringe chemische reactie met koolstof- en metaalelementen zorgt voor een lage wrijvingscoëfficiënt. Het is zelfsmorend en daardoor slijtvast. De corrosiebestendigheid is sterk; het reageert niet met andere anorganische zuren dan met fluorwaterstofzuur en is bestand tegen oxidatie bij hoge temperaturen. Het materiaal heeft ook een goede thermische schokbestendigheid; snelle afkoeling in de lucht gevolgd door snelle verhitting zal niet verbrokkelen. De kruip van siliciumnitridekeramiek neemt af bij hoge temperaturen en de langzame plastische vervorming is gering onder invloed van hoge temperaturen en een constante belasting.
Bovendien beschikken siliciumnitridekeramiek over een hoge specifieke sterkte, een hoge specifieke modulus, een hoge thermische geleidbaarheid, uitstekende elektrische eigenschappen en andere voordelen. Daardoor is het bijzonder waardevol voor toepassingen in extreme omstandigheden zoals hoge temperaturen, hoge snelheden en sterk corrosieve media. Het wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende structurele keramische materialen voor ontwikkeling en toepassing en is vaak de eerste keuze bij veel toepassingen die getest moeten worden.
Geplaatst op: 15 augustus 2023