Quali sono le proprietà dei materiali della ceramica al nitruro di silicio?

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Le ceramiche al nitruro di silicio, in quanto materiale inorganico non metallico avanzato, svolgono un ruolo insostituibile in molti settori industriali grazie alle loro eccellenti prestazioni.

Composizione chimica e caratteristiche strutturali
La formula chimica della ceramica al nitruro di silicio è Si3N4, un composto formato dallo stretto legame tra atomi di silicio e atomi di azoto attraverso legami covalenti. La sua unità strutturale di base è il tetraedro [SiN4], con atomi di silicio situati al centro del tetraedro e quattro atomi di azoto situati ai quattro vertici del tetraedro. Questi tetraedri formano una struttura a rete continua e robusta nello spazio tridimensionale, condividendo un atomo ogni tre e conferendo alla ceramica al nitruro di silicio caratteristiche di elevata resistenza e bassa densità.
Le ceramiche al nitruro di silicio presentano due strutture cristalline, alfa e beta, entrambe esagonali. Tra queste, il nitruro di silicio α si presenta come cristalli aghiformi, mentre il nitruro di silicio β si presenta come cristalli granulari. La differenza di struttura cristallina tra questi due tipi si traduce in differenze nelle prestazioni delle ceramiche al nitruro di silicio.

proprietà fisica
Elevata resistenza e durezza: Le ceramiche al nitruro di silicio hanno una resistenza alla flessione e una durezza estremamente elevate, con una resistenza alla flessione tipica di 500-700 MPa e una durezza superiore a 9 sulla scala Mohs, seconda solo al diamante e al nitruro di boro cubico. Ciò consente alle ceramiche al nitruro di silicio di operare in modo stabile in ambienti soggetti a forti sollecitazioni e di essere meno soggette a deformazioni o incrinature.
Eccellente resistenza alle alte temperature: Le ceramiche in nitruro di silicio hanno una stabilità termica estremamente elevata, in grado di mantenere la stabilità a temperature fino a 1400 ℃, e non sono soggette a espansione o deformazione termica. La sua temperatura di decomposizione è di 1800 ℃ in aria e di 1850 ℃ in azoto a 110MPa. Pertanto, le ceramiche al nitruro di silicio sono la scelta ideale per gli ambienti ad alta temperatura.
Buona resistenza agli shock termici: Grazie al basso coefficiente di espansione termica e all'elevata conduttività termica, la ceramica al nitruro di silicio presenta un'eccellente resistenza agli shock termici. Anche se riscaldata a 1000 ℃ e versata rapidamente in acqua fredda, non si rompe.
Eccellente isolamento elettrico: Le ceramiche al nitruro di silicio hanno eccellenti prestazioni di isolamento elettrico, con una resistenza di isolamento che in genere raggiunge i 10 ^ 12 Ω- cm o più. La rigidità dielettrica è solitamente compresa tra 20 e 30 kV/mm, in grado di sopportare un'elevata intensità di campo elettrico senza guasti. Inoltre, la sua perdita dielettrica è estremamente bassa, di solito inferiore a 0,001, rendendolo adatto ad applicazioni ad alta frequenza.

Stabilità chimica
Le ceramiche al nitruro di silicio hanno un'eccellente resistenza alla corrosione da acidi e alcali e possono essere utilizzate a lungo in ambienti difficili, come acidi e alcali forti, senza subire danni. Questa caratteristica gli consente di avere ampie prospettive di applicazione in campi quali l'ingegneria chimica e la metallurgia. Allo stesso tempo, le ceramiche di nitruro di silicio hanno anche una buona biocompatibilità e possono essere utilizzate per realizzare dispositivi medici come articolazioni artificiali e impianti dentali.

Area di applicazione
Grazie alle sue eccellenti prestazioni, le ceramiche a base di nitruro di silicio hanno mostrato un'ampia gamma di prospettive di applicazione in diversi campi:
Industria meccanica: Le ceramiche al nitruro di silicio sono utilizzate come componenti chiave come sfere per cuscinetti, rulli, stampi e nuovi utensili da taglio in ceramica, migliorando la resistenza all'usura e la durata dei componenti meccanici.
Industria chimica: Nell'industria chimica, le ceramiche al nitruro di silicio sono utilizzate come componenti resistenti all'usura e alla corrosione, come valvole a sfera, corpi di pompe, vaporizzatori di combustione, filtri, ecc.
Industria metallurgica: Nell'industria metallurgica, le ceramiche al nitruro di silicio sono utilizzate per realizzare aste per anime da taglio, stampi per estrusione, stampi per trafilatura e stampi da lavoro come rulli di laminazione e rulli trasportatori, che migliorano l'efficienza produttiva e la qualità del prodotto delle apparecchiature metallurgiche.
Aerospaziale: Nel settore aerospaziale, le ceramiche al nitruro di silicio sono ampiamente utilizzate come materiali di produzione per componenti chiave, come parti di motori e rivestimenti di camere di combustione, che migliorano le prestazioni e l'affidabilità dei veicoli spaziali.
Industria automobilistica: Con l'aumento dei veicoli elettrici e ibridi, le ceramiche al nitruro di silicio sono ampiamente utilizzate in settori quali i turbocompressori e i sistemi frenanti, grazie alla loro leggerezza, all'elevata forza e alla resistenza alle alte temperature, che contribuiscono a migliorare l'efficienza dei consumi e la sicurezza di guida.
Industria elettronica: Le ceramiche al nitruro di silicio sono ampiamente utilizzate nei dispositivi a semiconduttore, nei moduli di potenza, nei condensatori e nelle apparecchiature elettriche come trasformatori, commutatori e motori, grazie alle loro eccellenti proprietà di isolamento elettrico, che garantiscono la sicurezza e l'affidabilità delle apparecchiature.

Con il continuo progresso della scienza dei materiali e della tecnologia di preparazione, le prestazioni delle ceramiche al nitruro di silicio saranno ulteriormente ottimizzate e anche i campi di applicazione continueranno ad espandersi. Ad esempio, grazie alle modifiche nanotecnologiche, è possibile ottenere prestazioni personalizzate delle ceramiche al nitruro di silicio per soddisfare una più ampia gamma di richieste del settore. Allo stesso tempo, la ricerca e lo sviluppo di processi di preparazione ecologici e a basso costo promuoveranno la diffusione e l'applicazione delle ceramiche al nitruro di silicio in più campi, favorendo l'aggiornamento industriale e l'innovazione tecnologica.

Le ceramiche al nitruro di silicio svolgono un ruolo insostituibile in diversi settori industriali grazie alle loro eccellenti prestazioni.