ด้วยการพัฒนาของการผลิตเครื่องจักรไปสู่แผ่นเซรามิกอลูมินาที่มีความแม่นยำสูงและความเร็วสูงขอบเขตการใช้งานของแบริ่งกำลังกว้างขึ้นและกว้างขึ้นและข้อกำหนดสำหรับประสิทธิภาพของแบริ่งจะสูงขึ้นเรื่อย ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมการทำงานพิเศษแบริ่งโลหะไม่สามารถตอบสนองความต้องการหรือทำงานได้อย่างสมบูรณ์ วัสดุเซรามิกได้กลายเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับแบริ่งความแม่นยำในการผลิตความเร็วสูงเนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำโมดูลัสยืดหยุ่นสูงสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นขนาดเล็กความต้านทานการสึกหรอความต้านทานอุณหภูมิสูงความต้านทานการกัดกร่อนและคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมอื่น ๆ
1. ข้อดีและลักษณะของเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์
แม้ว่าซิลิคอนไนไตรด์จะไม่ยากที่สุดและยากที่สุดในเซรามิกอุตสาหกรรม แต่ก็ถือว่ามีคุณสมบัติทางกลและทางกายภาพที่ดีที่สุดในการใช้งานแบริ่งที่ต้องการประสิทธิภาพสูง ตอนนี้เรามาดูข้อดีของซิลิกอนไนไตรด์เมื่อเทียบกับวัสดุแบริ่งอื่น ๆ
การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของวัสดุบาร์เซรามิกอลูมินาห้าแบริ่ง
ความต้านทานความร้อน
โดยทั่วไปเมื่ออุณหภูมิการบริการของแบริ่งเหล็กเกิน 120 ℃ความแข็งและชีวิตที่กลิ้งจะลดลง ซิลิกอนไนไตรด์มีลักษณะอุณหภูมิที่ดีโดยเฉพาะอย่างยิ่งเหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิสูง
แรงเหวี่ยง
ความหนาแน่นของซิลิกอนไนไตรด์อยู่ที่ประมาณ 3.24 × 103kg/m3 ในขณะที่ความหนาแน่นของเหล็กกล้ามีความหนาแน่นประมาณ 7.8 × 103 กิโลกรัม/m3 ซึ่งเป็นเพียงประมาณ 40% ของความหนาแน่นของเหล็กกล้าดังนั้นเมื่อองค์ประกอบการหมุนใช้แบริ่ง ตลับลูกปืนสามารถยับยั้งการเพิ่มขึ้นของภาระการหมุนที่เกิดจากแรงเหวี่ยงเมื่อหมุนด้วยความเร็วสูง
สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้น
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นของซิลิคอนไนไตรด์อยู่ที่ประมาณ 1/4 ของเหล็กกล้าดังนั้นขนาดที่เปลี่ยนไปด้วยอุณหภูมิมีขนาดเล็กดังนั้นจึงเป็นประโยชน์ต่อการใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิขนาดใหญ่
ความแข็งสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นอัตราส่วนของปัวซอง
เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์ยืดหยุ่นของซิลิกอนไนไตรด์อยู่ที่ประมาณ 1.5 เท่าของเหล็กกล้าการเสียรูปแบบยืดหยุ่นของโหลดสัมพัทธ์มีขนาดเล็กและความแข็งแกร่งของโหลดสัมพัทธ์สูง
ความต้านทานการกัดกร่อน, ไม่ใช่แม่เหล็ก, ฉนวนกันความร้อน
เมื่อใช้ตลับลูกปืนเหล็กสำหรับเครื่องจักรที่ใช้ในอุปกรณ์เครื่องจักรเคมีอาหารอาหารและแผนกอื่น ๆ การกัดกร่อนเป็นปัญหา ในสภาพแวดล้อมแม่เหล็กที่แข็งแกร่งเมื่อใช้แบริ่งเหล็กผงละเอียดที่ทรุดตัวลงจากแบริ่งนั้นจะถูกดูดซับระหว่างองค์ประกอบการกลิ้งและพื้นผิวการกลิ้งซึ่งจะกลายเป็นเหตุผลหลักสำหรับความเสียหายที่เกิดจากแบริ่งก่อนวัยอันควรและเสียงรบกวนที่เพิ่มขึ้น
2. การเตรียมแบริ่งเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์
กระบวนการเตรียมการของซิลิกอนไนไตรด์เซรามิกอะลูมินาลูกสูบลูกสูบลูกสูบเซรามิก
การเตรียมผงเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์
ผงซิลิกอนไนไตรด์สำหรับชิ้นส่วนแบริ่งจะมีลักษณะสำคัญดังต่อไปนี้: ความบริสุทธิ์สูง; อนุภาคที่สม่ำเสมอและละเอียด αเนื้อหาเฟสสูง วิธีการที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเตรียมผงซิลิกอนไนไตรด์คือวิธีการลดความร้อนด้วยคาร์บิอร์มอลด้วยสูตรปฏิกิริยาของ 3SIO2+6C+2N2 = SI3N4+6CO ผงที่ได้จากวิธีนี้มีสิ่งสกปรกน้อยกว่าโลหะความบริสุทธิ์สูงและอนุภาคละเอียดปริมาณเฟสสูงαตรงตามข้อกำหนดของวัสดุสำหรับชิ้นส่วนแบริ่ง
การสร้างชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้องกับแบริ่งซิลิคอนไนไตรด์
มีวิธีการเตรียมการหลายวิธีของแบริ่งเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ที่เกี่ยวข้องเช่นการเผาปฏิกิริยาการเผาผลาญร้อนๆการเผาไหม้แบบแรงดันและการเผาปฏิกิริยารอง เพื่อให้ได้วัสดุซิลิกอนไนไตรด์หนาแน่นอย่างเต็มที่
การตัดเฉือนของแบริ่งเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้อง
การตัดเฉือนของชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้องกับแบริ่งเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์นั้นคล้ายกับชิ้นส่วนเหล็กแบริ่งและกลไกการบดนั้นเหมือนกัน อย่างไรก็ตามเนื่องจากความแตกต่างอย่างมากระหว่างคุณสมบัติต่าง ๆ ของซิลิกอนไนไตรด์และเหล็กมีความแตกต่างอย่างมากในเครื่องมือบดปัจจัยการประมวลผลส่วนผสมการบด ฯลฯ ในการประมวลผลเชิงกลและข้อกำหนดของเซรามิกเซอร์โคเนีย , รูปร่าง, ปริมาณ, ความแข็งแรง, ลักษณะการบด, ลักษณะการสึกหรอ, ฯลฯ ของสารกัดกร่อนแตกต่างกัน ในปัจจุบันสารกัดกร่อนที่ใช้เป็นหลัก ได้แก่ ซิลิกอนคาร์ไบด์โบรอนคาร์ไบด์ผงเพชร ฯลฯ
การประกอบแบริ่งเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์
โดยทั่วไปแบริ่งกลิ้งประกอบด้วยสี่ส่วนหลักคือวงแหวนรอบนอกวงแหวนด้านในองค์ประกอบการกลิ้งและกรง เนื่องจากมีแบริ่งม้วนสิบหมวดหมู่แบริ่งประเภทต่าง ๆ จึงใช้รูปแบบกรงที่แตกต่างกันดังนั้นวิธีการประกอบแบริ่งจึงแตกต่างกันเช่นกัน
แบริ่งเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานทางกลที่สำคัญเป็นผู้นำในโลกวัสดุใหม่เนื่องจากมีลักษณะที่ยอดเยี่ยมที่แบริ่งอื่นไม่สามารถจับคู่ได้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาในด้านการบินและอวกาศการนำทางอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ปิโตรเลียมอุตสาหกรรมเคมีอุตสาหกรรมสิ่งทอเบาเครื่องจักรโลหะวิทยาพลังงานไฟฟ้าอาหารหัวรถจักรรถไฟใต้ดินเครื่องมือเครื่องจักรความเร็วสูงการวิจัยทางวิทยาศาสตร์การป้องกันและเทคโนโลยีทางทหาร ฯลฯ แบริ่งเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์ได้รับการยอมรับมากขึ้นว่าเป็นสารทดแทนที่ขาดไม่ได้ภายใต้สภาพการทำงานพิเศษเช่นอุณหภูมิสูงความเร็วสูงความเย็นลึก, ไวไฟ, ระเบิด, การกัดกร่อนที่แข็งแกร่ง, สูญญากาศ, ฉนวนกันความร้อนไฟฟ้า
ลักษณะของสารตั้งต้นเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์:
ด้วยการย่อขนาดเล็กของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูงและส่วนประกอบของมันการกระจายความร้อนได้กลายเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ เนื่องจากฟลักซ์ความร้อนสูงจะนำไปสู่การลดลงของประสิทธิภาพและชีวิตที่สั้นลงในบรรดาเทคโนโลยีการกระจายความร้อนที่หลากหลายระบบหม้อน้ำเป็นชิ้นส่วนเซรามิเนียเซรามิกที่มีประโยชน์และสะดวกสำหรับการย่อขนาดเนื่องจากมันสามารถกลายเป็นส่วนหนึ่งของระบบบรรจุภัณฑ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์
สารตั้งต้นเซรามิก LED
อย่างที่เราทราบกันดีว่าความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดความล้มเหลวของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และการนำความร้อนของพื้นผิวฉนวนไฟฟ้าเป็นกุญแจสำคัญในการกระจายความร้อนของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมด หม้อน้ำประกอบด้วยชั้นวงจรโลหะและสารตั้งต้นเซรามิกเช่นอลูมิเนียมไนไตรด์, ซิลิกอนไนไตรด์, ซิลิกอนคาร์ไบด์และอลูมิเนียมออกไซด์ ในบรรดาสารตั้งต้นเซรามิกเหล่านี้ซิลิกอนไนไตรด์ได้รับการพิจารณาว่ามีแนวโน้มเนื่องจากการนำความร้อนที่ยอดเยี่ยม (60-90W/MK) ความแข็งแรงเชิงกลสูง (650-850 MPa) และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำ ในความเป็นจริงสารตั้งต้นเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์มักจะถูกฝากไว้ในสารตั้งต้นผ่านกระบวนการพันธะโดยตรง (DBC) และกระบวนการชุบทองแดงโดยตรง (DPC) DBC บรรลุการยึดเกาะที่เพิ่มขึ้นโดยการเชื่อมต่อกลไกระหว่างฟิล์มโลหะที่สะสมที่อุณหภูมิสูงและสารตั้งต้นในขณะที่ DPC ได้รับการยึดเกาะที่เพิ่มขึ้นโดยการสร้างชั้นเมล็ดโดยการสะสมสูญญากาศ
นอกจากนี้เนื่องจากสภาพแวดล้อมเชิงกลที่ซับซ้อนเช่นความปั่นป่วนและการสั่นสะเทือนวัสดุพื้นผิวที่มีความน่าเชื่อถือทางกลบางอย่างจำเป็นเช่นกัน สารตั้งต้นเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์มีความสมดุลในทุกด้านและเป็นวัสดุเซรามิกโครงสร้างที่มีประสิทธิภาพที่ครอบคลุมที่สุด ดังนั้นซิลิคอนไนไตรด์จึงมีความสามารถในการแข่งขันที่แข็งแกร่งในด้านการผลิตสารตั้งต้นเซรามิกสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
สารตั้งต้นเซรามิกอลูมิเนียมไนไตรด์
ในอดีตพื้นผิววงจรเป็นวัสดุระนาบที่ประกอบด้วยส่วนประกอบที่ไม่ต่อเนื่องหรือวงจรรวมและส่วนประกอบที่ไม่ต่อเนื่องเพื่อตอบสนองความต้องการการทำงานของวงจรโดยรวม ต้องใช้ฉนวนไฟฟ้าและการนำไฟฟ้าเท่านั้น หลังจากเข้าสู่อายุข้อมูลอัจฉริยะอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงานจะต้องสามารถแปลงและควบคุมพลังงานไฟฟ้าซึ่งปรับปรุงการควบคุมไฟฟ้าและความต้องการประสิทธิภาพการแปลงพลังงานอย่างมากของอุปกรณ์รวมถึงการใช้พลังงาน ดังนั้นสารตั้งต้นทั่วไปไม่สามารถตอบสนองความต้องการที่สูงของการลดความต้านทานความร้อนของอุปกรณ์พลังงานที่ซับซ้อนการควบคุมอุณหภูมิการทำงานและสร้างความมั่นใจในความน่าเชื่อถือและสารตั้งต้นเซรามิกที่มีประสิทธิภาพที่ดีขึ้น
ตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนสารตั้งต้นเซรามิกวัสดุพื้นผิวจะต้องมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:
1. ฉนวนกันความร้อนที่ดีและความต้านทานต่อหน้าแปลนเซรามิก
2. การนำความร้อนสูง: การนำความร้อนส่งผลโดยตรงต่อสภาพการทำงานและอายุการใช้งานของเซมิคอนดักเตอร์ สนามอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอที่เกิดจากการกระจายความร้อนที่ไม่ดีจะเพิ่มเสียงรบกวนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างมาก
3. ค่าสัมประสิทธิ์การขยายความร้อนตรงกับวัสดุอื่น ๆ ที่ใช้ในแพ็คเกจ
4. ลักษณะความถี่สูง, ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ, การสูญเสียอิเล็กทริกต่ำ;
5. พื้นผิวเรียบและความหนานั้นสม่ำเสมอซึ่งสะดวกสำหรับการพิมพ์วงจรบนพื้นผิวของพื้นผิวและทำให้มั่นใจได้ถึงความหนาสม่ำเสมอของวงจรพิมพ์
สารตั้งต้นเซรามิก
ในปัจจุบันวัสดุสารตั้งต้นเซรามิกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายส่วนใหญ่เป็นอลูมิเนียมออกไซด์และอลูมิเนียมไนไตรด์ ซิลิคอนไนไตรด์เปรียบเทียบกับประสิทธิภาพได้อย่างไร ตารางต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าวัสดุพื้นผิวเซรามิกทั้งสามมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนโดยเฉพาะอย่างยิ่งความต้านทานอุณหภูมิสูงของวัสดุพื้นผิวเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงความเฉื่อยทางเคมีต่อโลหะความแข็งสูงเป็นพิเศษความเหนียวแตกหักและคุณสมบัติเชิงกลอื่น ๆ
เนื่องจากซิลิคอนไนไตรด์ยอดเยี่ยมมากทำไมจึงยังไม่ได้ใช้ในตลาด? โอกาสในการพัฒนาอยู่ที่ไหน
ในความเป็นจริงแต่ละวัสดุทั้งสามมีข้อดีและข้อเสีย ตัวอย่างเช่นแม้ว่าค่าการนำความร้อนของอลูมิเนียมออกไซด์นั้นไม่ดีและไม่สามารถติดตามแนวโน้มการพัฒนาของเซมิคอนดักเตอร์พลังงานสูงได้ . ค่าการนำความร้อนของอลูมิเนียมไนไตรด์นั้นเข้ากันได้ดีที่สุดกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ มันสามารถใช้ในอุตสาหกรรมระดับสูง แต่ประสิทธิภาพเชิงกลของมันไม่ดีส่งผลกระทบต่อชีวิตของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และค่าใช้จ่ายในการใช้งานสูง ซิลิคอนไนไตรด์เป็นประสิทธิภาพที่ดีที่สุดในการทำงานที่ครอบคลุม แต่เกณฑ์รายการสูง
ในปัจจุบันสถาบันการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ในประเทศหลายแห่งและองค์กรต่างๆกำลังศึกษาอยู่ แต่เทคโนโลยีนั้นยากค่าใช้จ่ายในการผลิตสูงตลาดมีขนาดเล็กและแอปพลิเคชันขนาดใหญ่ยังไม่ปรากฏขึ้น นี่คือเหตุผลว่าทำไมองค์กรหลายแห่งยังคงรอดูและไม่ได้ตัดสินใจเพื่อเพิ่มการลงทุน แต่ตอนนี้สถานการณ์แตกต่างกันเพราะโลกได้เข้าสู่ช่วงเวลาที่สำคัญสำหรับการพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม พื้นผิวเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์มีผลิตภัณฑ์ที่เป็นผู้ใหญ่ในสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่น จีนมีทางยาวไปในเรื่องนี้
ทำไมเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์จึงเหมาะสำหรับแบริ่ง?
2023 07/03