¿A qué material pertenece la cerámica de nitruro de silicio?

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Las cerámicas de nitruro de silicio, como nuevo tipo de material cerámico avanzado, están demostrando gradualmente sus excelentes prestaciones y amplias perspectivas de aplicación en múltiples campos industriales.

Características básicas de la cerámica de nitruro de silicio
La cerámica de nitruro de silicio es un material inorgánico que se obtiene sintetizando polvo de nitruro de silicio de gran pureza mediante procesos de alta temperatura y alta presión. Su fórmula química es Si3N4, que es un compuesto covalente. La unidad estructural básica es un tetraedro [SiN4], con átomos de silicio situados en el centro del tetraedro y cuatro átomos de nitrógeno situados en los cuatro vértices del tetraedro. Estos tetraedros, en la forma de compartir un átomo cada tres, forman una estructura de red continua y robusta en el espacio tridimensional, dotando a la cerámica de nitruro de silicio de una serie de excelentes propiedades como alta resistencia, baja densidad y resistencia a altas temperaturas.
Las cerámicas de nitruro de silicio tienen una dureza extremadamente alta, ligeramente inferior a la del diamante, al tiempo que poseen excelentes propiedades como alta resistencia, alta tenacidad, baja densidad, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación, bajo peso específico y resistencia al choque térmico. Estas características hacen de la cerámica de nitruro de silicio uno de los materiales cerámicos estructurales más completos que existen en la actualidad, aclamado como "cerámica versátil", "acero cerámico negro" y "la perla de la corona de los materiales cerámicos avanzados".

Tipos de cerámica de nitruro de silicio
Según la estructura, el método de síntesis, la morfología, etc. del carburo de silicio, la cerámica de nitruro de silicio puede subdividirse en varios tipos, como fibras de nitruro de silicio, nanonitruro de silicio, materiales compuestos de nitruro de silicio, películas finas de nitruro de silicio y bolas cerámicas de nitruro de silicio. Cada tipo tiene un rendimiento y una finalidad únicos:
Fibra de nitruro de silicio: Con alto rendimiento, alto rendimiento, resistencia a la corrosión química y resistencia a altas temperaturas, es un material candidato ideal para componentes resistentes a altas temperaturas, como los motores aeroespaciales y de automoción.
Nanonitruro de silicio: Tiene una gran resistencia al desgarro, a la tracción y al desgaste, y puede reducir la fricción interna, mejorar la mecánica dinámica y la resistencia al envejecimiento por calor del caucho. Puede utilizarse para fabricar cerámica, componentes de motores y herramientas de corte, o como material para la resistencia a la corrosión y los campos electromagnéticos.
Material compuesto de nitruro de silicio: Tiene características como resistencia a altas temperaturas, baja dieléctrica y resistencia a la fluencia, y se utiliza habitualmente para fabricar cubiertas de antena para misiles de alto rendimiento con propiedades antioxidantes.
Película delgada de nitruro de silicio: Tiene excelentes propiedades optoelectrónicas, gran estabilidad química y gran resistencia a la difusión de impurezas y a la penetración de vapor de agua.
Bola cerámica de nitruro de silicio: Con alta dureza, alta resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, resistencia a altas temperaturas, peso ligero, alta precisión de procesamiento, propiedades autolubricantes, propiedades aislantes y otras características, es el material preferido para rodamientos cerámicos y rodamientos híbridos de bolas cerámicas.

Métodos de preparación de cerámicas de nitruro de silicio
Los métodos de preparación de las cerámicas de nitruro de silicio incluyen principalmente la sinterización por reacción, la sinterización por prensado en caliente, la sinterización a presión atmosférica, la sinterización a presión atmosférica, etc. Las cerámicas de nitruro de silicio obtenidas por diferentes métodos de preparación tienen diferentes microestructuras y propiedades:
Método de sinterización por reacción: En primer lugar, el polvo de silicio se prensa en la forma deseada de cuerpo verde, y se lleva a cabo un tratamiento de sinterización nitrurado previo en un horno de nitruración, de modo que parte del polvo de silicio reacciona con el nitrógeno para generar nitruro de silicio. Este método tiene un coste más bajo pero un tiempo de nitruración más largo, por lo que es adecuado para fabricar piezas con formas complejas y dimensiones precisas.
Método de sinterización por prensado en caliente: El polvo de nitruro de silicio y una pequeña cantidad de aditivos (como MgO, Al2O3, etc.) se prensan en caliente y se sinterizan a alta presión (por encima de 1916 MPa) y alta temperatura (por encima de 1600 ℃). Las cerámicas de nitruro de silicio producidas por este método tienen excelentes propiedades mecánicas, alta resistencia y alta densidad, pero altos costes de fabricación y equipos de sinterización complejos.
Método de sinterización a presión atmosférica: La sinterización se realiza a menor presión (normalmente a 1 atm) y mayor temperatura (1700, 1800 ℃), seguida de la sinterización a presión a temperaturas más altas (1800, 2000 ℃). El rendimiento de las cerámicas de nitruro de silicio obtenidas por este método es ligeramente inferior al del método de sinterización por prensado en caliente, pero el coste es menor.
Método de sinterización a presión: La sinterización se lleva a cabo bajo alta presión de nitrógeno (1-10MPa) y temperatura (alrededor de 2000 ℃). Este método puede suprimir la descomposición a alta temperatura del nitruro de silicio, promover la densificación de la estructura cerámica y mejorar la resistencia de la cerámica.

Campos de aplicación de la cerámica de nitruro de silicio
Las cerámicas de nitruro de silicio se han utilizado ampliamente en diversos campos debido a sus excelentes propiedades:
Industria mecánica: se utiliza para producir componentes clave como herramientas de corte, cojinetes cerámicos, rotores de turbina, etc., para mejorar la resistencia al desgaste, la resistencia a altas temperaturas y la vida útil de los equipos mecánicos.
La industria del automóvil tiene una amplia gama de aplicaciones en componentes del motor como válvulas, juntas de balancines, retenes, álabes de turbina, accesorios de soldadura, etc., lo que abre una nueva era para el desarrollo de nuevos materiales estructurales de alta temperatura.
Aeroespacial: Se utiliza para fabricar componentes estructurales de alta temperatura y capas antioxidantes para naves espaciales, mejorando la resistencia a las altas temperaturas y las propiedades antioxidantes de las naves espaciales.
Industria electrónica: se utiliza para producir materiales de embalaje de dispositivos electrónicos, como sustratos de disipación de calor, anillos aislantes, placas de cubierta y componentes en equipos de proceso de semiconductores.
Biomédica: se utiliza como material para implantes humanos debido a su buena biocompatibilidad, conductividad ósea y afinidad con tejidos biológicos como las células.

Las cerámicas de nitruro de silicio, como nuevo tipo de material inorgánico con excelentes prestaciones integrales, han mostrado amplias perspectivas de aplicación y un enorme potencial de desarrollo en múltiples campos.