A quale materiale appartiene la ceramica al nitruro di silicio?

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Le ceramiche al nitruro di silicio, un nuovo tipo di materiale ceramico avanzato, stanno gradualmente dimostrando le loro eccellenti prestazioni e le loro ampie prospettive di applicazione in diversi campi industriali.

Caratteristiche di base delle ceramiche al nitruro di silicio
La ceramica al nitruro di silicio è un materiale inorganico ottenuto sintetizzando polvere di nitruro di silicio di elevata purezza attraverso processi ad alta temperatura e ad alta pressione. La sua formula chimica è Si3N4, un composto covalente. L'unità strutturale di base è un tetraedro [SiN4], con atomi di silicio situati al centro del tetraedro e quattro atomi di azoto situati ai quattro vertici del tetraedro. Questi tetraedri, che condividono un atomo ogni tre, formano una struttura a rete continua e robusta nello spazio tridimensionale, che conferisce alla ceramica a base di nitruro di silicio una serie di eccellenti proprietà, come l'alta resistenza, la bassa densità e la resistenza alle alte temperature.
Le ceramiche al nitruro di silicio hanno una durezza estremamente elevata, leggermente inferiore a quella del diamante, e possiedono al contempo eccellenti proprietà come l'alta resistenza, l'elevata tenacità, la bassa densità, la resistenza alle alte temperature, la resistenza alla corrosione, la resistenza all'ossidazione, il basso peso specifico e la resistenza agli shock termici. Queste caratteristiche rendono la ceramica al nitruro di silicio uno dei materiali ceramici strutturali più completi attualmente disponibili, definito "ceramica versatile", "acciaio ceramico nero" e "la perla sulla corona dei materiali ceramici avanzati".

Tipi di ceramica al nitruro di silicio
In base alla struttura, al metodo di sintesi, alla morfologia, ecc. del carburo di silicio, le ceramiche al nitruro di silicio possono essere suddivise in vari tipi, tra cui le fibre di nitruro di silicio, il nano nitruro di silicio, i materiali compositi di nitruro di silicio, i film sottili di nitruro di silicio e le sfere ceramiche di nitruro di silicio. Ogni tipo ha prestazioni e finalità uniche:
Fibra di nitruro di silicio: Grazie alle elevate prestazioni, all'alto rendimento, alla resistenza alla corrosione chimica e alle alte temperature, è un materiale candidato ideale per i componenti resistenti alle alte temperature, come i motori aerospaziali e automobilistici.
Nitruro di silicio nano: Ha un'elevata resistenza allo strappo, alla trazione e all'usura e può ridurre l'attrito interno, migliorare la meccanica dinamica e la resistenza all'invecchiamento termico della gomma. Può essere utilizzato per produrre ceramiche, componenti di motori e utensili da taglio, o come materiale per la resistenza alla corrosione e ai campi elettromagnetici.
Materiale composito a base di nitruro di silicio: Ha caratteristiche quali la resistenza alle alte temperature, il basso livello dielettrico e la resistenza al creep ed è comunemente utilizzato per realizzare coperture di antenne per missili ad alte prestazioni con proprietà antiossidanti.
Film sottile di nitruro di silicio: Ha eccellenti proprietà optoelettroniche, elevata stabilità chimica e forte resistenza alla diffusione delle impurità e alla penetrazione del vapore acqueo.
Sfera in ceramica di nitruro di silicio: Grazie all'elevata durezza, all'alta resistenza all'usura, alla resistenza alla corrosione, alla resistenza alle alte temperature, alla leggerezza, all'elevata precisione di lavorazione, alle proprietà autolubrificanti, alle proprietà isolanti e ad altre caratteristiche, è il materiale preferito per i cuscinetti in ceramica e per i cuscinetti a sfera ibridi in ceramica.

Metodi di preparazione della ceramica di nitruro di silicio
I metodi di preparazione delle ceramiche al nitruro di silicio comprendono principalmente la sinterizzazione per reazione, la sinterizzazione per pressatura a caldo, la sinterizzazione a pressione atmosferica, la sinterizzazione a pressione atmosferica, ecc. Le ceramiche di nitruro di silicio ottenute con diversi metodi di preparazione presentano microstrutture e proprietà differenti:
Metodo di sinterizzazione per reazione: In primo luogo, la polvere di silicio viene pressata nella forma desiderata del corpo verde e il trattamento di sinterizzazione pre-nitrurata viene effettuato in un forno di nitrurazione, in modo che una parte della polvere di silicio reagisca con l'azoto per generare nitruro di silicio. Questo metodo ha un costo inferiore ma un tempo di nitrurazione più lungo, che lo rende adatto alla produzione di pezzi con forme complesse e dimensioni precise.
Metodo di sinterizzazione con pressatura a caldo: La polvere di nitruro di silicio e una piccola quantità di additivi (come MgO, Al2O3, ecc.) vengono pressati a caldo e sinterizzati ad alta pressione (oltre 1916 MPa) e ad alta temperatura (oltre 1600 ℃). Le ceramiche di nitruro di silicio prodotte con questo metodo hanno eccellenti proprietà meccaniche, elevata resistenza e alta densità, ma costi di produzione elevati e attrezzature di sinterizzazione complesse.
Metodo di sinterizzazione a pressione atmosferica: La sinterizzazione viene effettuata a una pressione più bassa (di solito a 1 atm) e a una temperatura più elevata (1700, 1800 ℃), seguita da una sinterizzazione a pressione a temperature più elevate (1800, 2000 ℃). Le prestazioni delle ceramiche di nitruro di silicio ottenute con questo metodo sono leggermente inferiori a quelle del metodo di sinterizzazione con pressatura a caldo, ma il costo è inferiore.
Metodo di sinterizzazione a pressione: La sinterizzazione avviene in condizioni di elevata pressione dell'azoto (1-10MPa) e temperatura (circa 2000 ℃). Questo metodo può sopprimere la decomposizione ad alta temperatura del nitruro di silicio, promuovere la densificazione della struttura ceramica e migliorare la resistenza della ceramica.

Campi di applicazione della ceramica al nitruro di silicio
Le ceramiche al nitruro di silicio sono state ampiamente utilizzate in vari campi grazie alle loro eccellenti proprietà:
Industria meccanica: utilizzata per produrre componenti chiave come utensili da taglio, cuscinetti in ceramica, rotori di turbine, ecc. per migliorare la resistenza all'usura, alle alte temperature e la durata delle apparecchiature meccaniche.
L'industria automobilistica ha un'ampia gamma di applicazioni nei componenti del motore, come valvole, guarnizioni per bilancieri, guarnizioni, palette per turbine, dispositivi di saldatura, ecc.
Aerospaziale: Utilizzato per realizzare componenti strutturali ad alta temperatura e strati antiossidazione per veicoli spaziali, migliorandone la resistenza alle alte temperature e le proprietà antiossidanti.
Industria elettronica: utilizzata per produrre materiali per l'imballaggio dei dispositivi elettronici, come substrati per la dissipazione del calore, anelli isolanti, piastre di copertura e componenti per le apparecchiature di processo dei semiconduttori.
Biomedicale: è utilizzato come materiale per impianti umani grazie alla sua buona biocompatibilità, alla conduttività ossea e all'affinità con i tessuti biologici come le cellule.

Le ceramiche al nitruro di silicio, un nuovo tipo di materiale inorganico con eccellenti prestazioni globali, hanno mostrato ampie prospettive di applicazione e un enorme potenziale di sviluppo in diversi campi.