Gốm silicon nitride (Silicon Nitride Ceramics, công thức hóa học Si₃N₄) là một loại vật liệu vô cơ phi kim loại mới điển hình, thuộc loại gốm cấu trúc hiệu suất cao.
Nó được hình thành từ phản ứng nhiệt độ cao giữa silic và nitơ, có độ bền liên kết cộng hóa trị cực cao, giúp nó đồng thời có trọng lượng nhẹ, độ bền cao, độ cứng cao, chống mài mòn, chống sốc nhiệt và tính cách điện tuyệt vời.

Đối với các kỹ sư, việc hiểu rõ “silicon nitride thuộc loại vật liệu nào” là vô cùng quan trọng. Silicon nitride là một loại vật liệu gốm có liên kết cộng hóa trị chủ đạo, có tính ổn định hóa học cao, ngay cả trong môi trường nhiệt độ cao trên 1200°C vẫn duy trì được cấu trúc và tính chất ổn định. Do đó, nó được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực cao cấp như cơ khí, điện tử, năng lượng và bán dẫn.

Đúng vậy. Gốm silicon nitride cùng với silicon carbide, nhôm oxit, nhôm nitride, v.v. đều thuộc loại vật liệu vô cơ phi kim loại mới, được gọi chung là “gốm tiên tiến” hoặc “gốm đặc biệt”.
Loại vật liệu này khác với gốm sứ truyền thống, chúng được chế tạo bằng cách chuẩn bị bột mịn và nung ở nhiệt độ cao, có cấu trúc vi mô có thể kiểm soát và các đặc tính cơ học và chức năng ưu việt.

Tương ứng, gốm nitrua boron cũng thuộc loại vật liệu vô cơ phi kim loại mới, nhưng nitrua boron thiên về gốm chức năng, trong khi nitrua silic có cả đặc tính cấu trúc và chức năng, đặc biệt phù hợp với môi trường kỹ thuật chịu ứng suất nhiệt độ cao và sốc nhiệt.

Từ góc độ ứng dụng, gốm silicon nitride thuộc loại gốm kết cấu và gốm chức năng.

• Là một loại gốm cấu trúc, nó có thể chịu được tải trọng cao và nhiệt độ cực đoan, thường được sử dụng trong các bộ phận chịu ứng suất cao như cánh quạt động cơ, bi bạc đạn, dụng cụ cắt, v.v.

• Với tính chất gốm chức năng, khả năng dẫn nhiệt cao và cách điện của nó khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng cho vỏ bọc điện tử và đế mô-đun công suất.

Điều này cũng giải thích tại sao trong sản xuất công nghệ cao, gốm silicon nitride được ưa chuộng rộng rãi trong ba ngành công nghiệp là cơ khí, điện tử và bán dẫn.

Độ đặc của gốm silicon nitride thường là 3,2 g/cm³, chỉ bằng 40% của thép và nhẹ hơn nhôm oxit. Tính chất nhẹ của nó khiến nó trở thành giải pháp lý tưởng để thay thế vật liệu kim loại nhằm giảm trọng lượng cấu trúc.

Hệ số dẫn nhiệt của silicon nitride nằm trong khoảng 20–90 W/m·K, có thể điều chỉnh bằng cách thêm phụ gia oxit hoặc kiểm soát kích thước hạt.
Tấm nền gốm silicon nitride có độ dẫn nhiệt cao (High Thermal Conductivity Si₃N₄ Substrate) thể hiện hiệu suất vượt trội trong đóng gói điện tử, đồng thời sở hữu cả hai ưu điểm dẫn nhiệt và cách nhiệt.

Các thông số này quyết định tính ứng dụng rộng rãi của silicon nitride trong các bộ phận cơ khí chịu nhiệt độ cao và các vật liệu điện tử.

Quy trình sản xuất gốm silicon nitride trực tiếp quyết định tính năng và chi phí của nó. Các quy trình phổ biến hiện nay bao gồm:

1. Nung ở áp suất thường (GPSN): Phù hợp cho sản xuất hàng loạt, chi phí thấp;

2. Nung ép nhiệt (HPSN): Độ dày cao, độ bền cao, được sử dụng cho các bộ phận cấu trúc cao cấp;

3. Nung kết bằng áp suất khí (HIP): Cải thiện sự kết dính của các hạt tinh thể bằng cách sử dụng áp suất cao của khí nitơ, từ đó nâng cao độ dẫn nhiệt và độ bền.

4. Phản ứng nung kết (RBSN): Chi phí thấp, phù hợp với các sản phẩm có kích thước lớn.

Gốm silicon nitride nung nóng hiện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như vòng bi cơ khí chính xác cao, dụng cụ cắt, bộ phận tuabin, v.v. Cùng với sự phát triển của công nghệ gia công chính xác gốm silicon nitride, độ chính xác trong sản xuất các bộ phận có hình dạng phức tạp và cấu trúc vi mô ngày càng được nâng cao.

Các quả cầu gốm silicon nitride là một trong những ứng dụng tiêu biểu nhất trên thị trường.
So với bi thép, nó có các ưu điểm như độ cứng cao, mật độ thấp, chống mài mòn, chống ăn mòn và chống giãn nở nhiệt.

Công dụng và đặc điểm của bi gốm silicon nitride:

• Dùng cho ổ trục tốc độ cao, bơm chân không, tuabin hàng không, trục vít bi chính xác;

• Có thể hoạt động lâu dài trong môi trường chân không, môi trường ăn mòn và nhiệt độ cao;

• Hệ số ma sát thấp, không từ tính, không cần bôi trơn.

Do đó, các nhà sản xuất bi gốm silicon nitride thường là đối tác chuỗi cung ứng cốt lõi của các nhà sản xuất vòng bi chính xác, phục vụ rộng rãi trong các lĩnh vực ô tô, động cơ điện, sản xuất máy móc và năng lượng mới.

Tấm nền gốm silicon nitride (Si₃N₄ Substrate) là một trong những vật liệu cốt lõi trong ngành điện tử công suất và bán dẫn.
Do tính dẫn nhiệt cao và tính giãn nở nhiệt thấp, nó có thể giải quyết hiệu quả vấn đề phát nhiệt và ứng suất nhiệt của mô-đun công suất.

Đặc biệt, các tấm nền gốm silicon nitride có độ dẫn nhiệt cao và tấm nền gốm silicon nitride phủ đồng (Si₃N₄ DBC) đang trở thành vật liệu đóng gói quan trọng cho các mô-đun IGBT, MOSFET và bộ biến tần của xe điện mới.

Gốm silicon nitride dùng trong bán dẫn cũng được sử dụng trong truyền thông 5G, biến tần quang điện và đóng gói điện tử hàng không vũ trụ, cung cấp hỗ trợ đáng tin cậy cho việc nâng cao mật độ công suất và tản nhiệt hệ thống.

Tấm gia nhiệt gốm silicon nitride có khả năng dẫn nhiệt cao và cách điện tốt, có thể gia nhiệt nhanh chóng và duy trì nhiệt độ ổn định trong môi trường khắc nghiệt.
Nó thường được sử dụng trong:

• Hệ thống điều hòa nhiệt độ cho thiết bị bán dẫn

• Thiết bị làm tan băng và chống sương mù trên máy bay

• Thiết bị sưởi ấm công nghiệp
  An toàn và hiệu quả năng lượng của nó đều vượt trội so với các bộ phận gia nhiệt kim loại truyền thống.

Trong lĩnh vực vật liệu chịu lửa, các sản phẩm kết hợp silicon carbide và silicon nitride cùng với gạch silicon carbide kết hợp silicon nitride có khả năng chịu sốc nhiệt và chống ăn mòn bởi xỉ rất cao, thường được sử dụng trong lò nung thép, lò nung gốm và bể điện phân nhôm. Pha kết hợp của silicon nitride có thể nâng cao khả năng chống oxy hóa của sản phẩm, kéo dài tuổi thọ của lớp lót lò và giảm chi phí bảo trì.

Giá của gốm silicon nitride sẽ thay đổi tùy thuộc vào mật độ, độ chính xác gia công, quy trình nung kết và lĩnh vực ứng dụng.
Hiện tại trên thị trường:

• Gốm silicon nitride cấp cấu trúc: khoảng 300–800 nhân dân tệ/kg;

• Bóng gốm silicon nitride có độ chính xác cao: mỗi quả có giá từ 2–10 nhân dân tệ;

• Tấm nền dẫn nhiệt cao: 50–200 nhân dân tệ mỗi tấm.

Với sự phát triển của bột và thiết bị sản xuất trong nước, nhiều doanh nghiệp sản xuất bóng gốm silicon nitride và nhà sản xuất tấm nền trong nước đã đạt được sản lượng hàng loạt.
Đặc biệt là ở các khu vực như Thâm Quyến, Vô Tích, Đông Quan, các doanh nghiệp đang thực hiện sản xuất hàng loạt gốm silicon nitride hiệu suất cao thông qua dây chuyền sản xuất tự động.

Là nhà sản xuất gốm sứ tiên tiến chuyên nghiệp, chúng tôi có những ưu điểm sau:

1. Hơn 10 năm kinh nghiệm sản xuất gốm sứ chính xác
   Chúng tôi chuyên sâu vào nghiên cứu và phát triển cũng như gia công tùy chỉnh các loại gốm sứ cao cấp như nitơ silic, nitơ nhôm, oxit nhôm, nitơ bo, v.v.

2. Hệ thống kiểm soát toàn bộ quy trình
   Từ quá trình chuẩn bị bột, định hình, nung kết đến gia công CNC chính xác và kiểm tra, toàn bộ quy trình được kiểm soát độc lập, đảm bảo tính nhất quán và độ tin cậy của sản phẩm.

3. Thiết bị và kiểm tra có độ chính xác cao
   Sở hữu máy mài CNC nhập khẩu, máy kiểm tra can thiệp laser và máy phân tích mật độ, độ chính xác kích thước có thể đạt ±0,001mm.

4. Khả năng tùy chỉnh và giao hàng nhanh chóng
   Hỗ trợ sản xuất thử nghiệm với số lượng nhỏ, giao hàng mẫu nhanh chóng, đáp ứng nhu cầu đa dạng của các viện nghiên cứu khoa học và các doanh nghiệp sản xuất cao cấp.

5. Chứng nhận chất lượng quốc tế
   Sản phẩm đã được chứng nhận ISO 9001, REACH, RoHS, đáp ứng các tiêu chuẩn của thị trường chính ở châu Âu, Mỹ và châu Á.

Sự phát triển của gốm silicon nitride trong tương lai sẽ tập trung vào các hướng sau:

1. Hệ thống vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao hơn (>100 W/m·K), được sử dụng cho tản nhiệt điện tử công suất cao;

2. Cấu trúc gốm composite Si₃N₄–SiC, tăng cường độ bền uốn và khả năng chống nứt;

3. Công nghệ nung bằng lò vi sóng và nung nhanh, rút ngắn chu kỳ nung và giảm tiêu thụ năng lượng;

4. In 3D printing silicon nitride ceramic molding, enabling rapid manufacturing of complex structural components;

5. Công nghệ gia công gốm silicon nitride siêu chính xác, đáp ứng nhu cầu của thiết bị bán dẫn và nền tảng quang học.

Những đổi mới này sẽ thúc đẩy việc mở rộng ứng dụng của gốm silicon nitride trong các lĩnh vực năng lượng mới, hàng không vũ trụ, sản xuất bán dẫn và kỹ thuật chính xác.

Silicon nitride ceramic là một loại vật liệu vô cơ phi kim loại tiên tiến, kết hợp cả độ bền cấu trúc và tính năng đặc biệt.
Nó có mật độ thấp, độ bền cao, tính dẫn nhiệt xuất sắc, khả năng cách điện tốt, chịu nhiệt độ cao và chống ăn mòn, là vật liệu quan trọng cho việc nâng cấp ngành sản xuất và trang thiết bị cao cấp hiện nay.

Từ bóng gốm silicon nitride đến tấm nền gốm silicon nitride có độ dẫn nhiệt cao, cho đến tấm gia nhiệt gốm silicon nitride kết hợp với sản phẩm silicon nitride và silicon carbide.
Loại vật liệu này đã thâm nhập sâu rộng vào các ngành nghề, trở thành lực lượng quan trọng thúc đẩy sự phát triển của ngành sản xuất tiên tiến và nội địa hóa vật liệu tại Trung Quốc.

Trong tương lai, với sự phát triển của công nghệ nung kết, độ tinh khiết của bột và mức độ gia công chính xác, gốm silicon nitride hiệu suất cao chắc chắn sẽ trở thành một trong những vật liệu cốt lõi trong lĩnh vực sản xuất thiết bị cao cấp và đóng gói bán dẫn.