À quel matériau appartient la céramique de nitrure de silicium ?

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Les céramiques à base de nitrure de silicium, nouveau type de matériaux céramiques avancés, démontrent progressivement leurs excellentes performances et leurs vastes perspectives d'application dans de nombreux domaines industriels.

Caractéristiques de base des céramiques de nitrure de silicium
La céramique de nitrure de silicium est un matériau inorganique obtenu par la synthèse d'une poudre de nitrure de silicium de haute pureté par des procédés à haute température et à haute pression. Sa formule chimique est Si3N4, qui est un composé covalent. L'unité structurelle de base est un tétraèdre [SiN4], avec des atomes de silicium situés au centre du tétraèdre et quatre atomes d'azote situés aux quatre sommets du tétraèdre. Ces tétraèdres, qui partagent un atome tous les trois, forment une structure de réseau continue et robuste dans l'espace tridimensionnel, ce qui confère aux céramiques de nitrure de silicium une série d'excellentes propriétés telles qu'une grande solidité, une faible densité et une résistance aux températures élevées.
Les céramiques de nitrure de silicium ont une dureté extrêmement élevée, légèrement inférieure à celle du diamant, tout en possédant d'excellentes propriétés telles qu'une grande résistance, une grande ténacité, une faible densité, une résistance aux températures élevées, une résistance à la corrosion, une résistance à l'oxydation, une faible densité et une résistance aux chocs thermiques. Ces caractéristiques font des céramiques de nitrure de silicium l'un des matériaux céramiques structurels les plus complets actuellement disponibles, salué comme "céramique polyvalente", "acier céramique noir" et "la perle sur la couronne des matériaux céramiques avancés".

Types de céramiques à base de nitrure de silicium
En fonction de la structure, de la méthode de synthèse, de la morphologie, etc. du carbure de silicium, les céramiques de nitrure de silicium peuvent être subdivisées en différents types, notamment les fibres de nitrure de silicium, le nano nitrure de silicium, les matériaux composites de nitrure de silicium, les films minces de nitrure de silicium et les billes de céramique de nitrure de silicium. Chaque type a ses propres performances et objectifs :
Fibre de nitrure de silicium : Grâce à ses hautes performances, son rendement élevé, sa résistance à la corrosion chimique et aux températures élevées, c'est un matériau idéal pour les composants résistants aux températures élevées, tels que les moteurs aérospatiaux et automobiles.
Nano nitrure de silicium : Il possède une grande résistance à la déchirure, à la traction et à l'usure, et peut réduire le frottement interne, améliorer la mécanique dynamique et la résistance au vieillissement thermique du caoutchouc. Il peut être utilisé pour fabriquer des céramiques, des composants de moteur et des outils de coupe, ou comme matériau pour la résistance à la corrosion et les champs électromagnétiques.
Matériau composite à base de nitrure de silicium : Il possède des caractéristiques telles que la résistance aux températures élevées, un faible coefficient diélectrique et la résistance au fluage. Il est couramment utilisé pour fabriquer des couvercles d'antenne pour les missiles à haute performance avec des propriétés anti-oxydation.
Film mince de nitrure de silicium : Il possède d'excellentes propriétés optoélectroniques, une grande stabilité chimique et une forte résistance à la diffusion des impuretés et à la pénétration de la vapeur d'eau.
Bille céramique en nitrure de silicium : Avec une dureté élevée, une résistance élevée à l'usure, une résistance à la corrosion, une résistance aux températures élevées, un poids léger, une grande précision de traitement, des propriétés autolubrifiantes, des propriétés d'isolation et d'autres caractéristiques, c'est le matériau préféré pour les roulements céramiques et les roulements à billes céramiques hybrides.

Méthodes de préparation de céramiques à base de nitrure de silicium
Les méthodes de préparation des céramiques de nitrure de silicium comprennent principalement le frittage par réaction, le frittage par pressage à chaud, le frittage sous pression atmosphérique, le frittage sous pression atmosphérique, etc. Les céramiques de nitrure de silicium obtenues par différentes méthodes de préparation présentent des microstructures et des propriétés différentes :
Méthode de frittage par réaction : Tout d'abord, la poudre de silicium est pressée dans la forme souhaitée du corps vert, et un traitement de frittage pré-nitruré est effectué dans un four de nitruration, de sorte qu'une partie de la poudre de silicium réagit avec l'azote pour générer du nitrure de silicium. Cette méthode est moins coûteuse mais le temps de nitruration est plus long, ce qui la rend adaptée à la fabrication de pièces aux formes complexes et aux dimensions précises.
Méthode de frittage par pressage à chaud : La poudre de nitrure de silicium et une petite quantité d'additifs (tels que MgO, Al2O3, etc.) sont pressés à chaud et frittés sous haute pression (plus de 1916 MPa) et à haute température (plus de 1600 ℃). Les céramiques de nitrure de silicium produites par cette méthode présentent d'excellentes propriétés mécaniques, une grande résistance et une densité élevée, mais des coûts de fabrication élevés et un équipement de frittage complexe.
Méthode de frittage sous pression atmosphérique : Le frittage est effectué à une pression plus faible (généralement 1 atm) et à une température plus élevée (1700, 1800 ℃), suivi d'un frittage sous pression à des températures plus élevées (1800, 2000 ℃). Les performances des céramiques de nitrure de silicium obtenues par cette méthode sont légèrement inférieures à celles de la méthode de frittage par pressage à chaud, mais le coût est moins élevé.
Méthode de frittage sous pression : Le frittage est effectué sous une pression d'azote élevée (1-10MPa) et à une température élevée (environ 2000 ℃). Cette méthode permet de supprimer la décomposition à haute température du nitrure de silicium, de favoriser la densification de la structure céramique et d'améliorer la résistance des céramiques.

Domaines d'application des céramiques à base de nitrure de silicium
Les céramiques à base de nitrure de silicium ont été largement utilisées dans divers domaines en raison de leurs excellentes propriétés :
Industrie mécanique : utilisée pour produire des composants clés tels que des outils de coupe, des roulements en céramique, des rotors de turbine, etc., afin d'améliorer la résistance à l'usure, la résistance aux températures élevées et la durée de vie des équipements mécaniques.
L'industrie automobile a un large éventail d'applications dans les composants de moteur tels que les soupapes, les joints de culbuteurs, les joints d'étanchéité, les aubes de turbine, les dispositifs de soudage, etc., ce qui ouvre une nouvelle ère pour le développement de nouveaux matériaux structurels à haute température.
Aérospatiale : Utilisé pour fabriquer des composants structurels à haute température et des couches anti-oxydation pour les engins spatiaux, afin d'améliorer la résistance à haute température et les propriétés anti-oxydation des engins spatiaux.
Industrie électronique : utilisée pour produire des matériaux d'emballage d'appareils électroniques tels que des substrats de dissipation thermique, des anneaux d'isolation, des plaques de recouvrement et des composants d'équipements de traitement des semi-conducteurs.
Biomédical : il est utilisé comme matériau d'implant humain en raison de sa bonne biocompatibilité, de sa conductivité osseuse et de son affinité avec les tissus biologiques tels que les cellules.

Les céramiques à base de nitrure de silicium, nouveau type de matériau inorganique doté d'excellentes performances globales, ont montré de vastes perspectives d'application et un énorme potentiel de développement dans de nombreux domaines.