Quelles sont les applications des céramiques en nitrure de silicium ?

  nitrure de silicium est un composé inorganique de formule chimique Si₃N₄Le nitrure de silicium (Si₃N₄) est insoluble dans l'eau, possède une masse moléculaire de 140,283 et se présente sous forme grise ou blanc grisâtre. Il appartient à la classe des composés insolubles à haute température, sans point de fusion et avec une forte résistance au fluage à haute température. Sa solubilité est limitée à l'acide fluorhydrique et à l'acide phosphorique chaud, car il ne réagit pas avec les autres acides inorganiques, ce qui lui confère une excellente résistance à la corrosion. Le nitrure de silicium existe sous trois formes cristallographiques : les phases α, β et γ. Les phases α et β sont les plus courantes et peuvent être synthétisées à pression atmosphérique. La phase γ ne peut être obtenue que sous haute pression et haute température, avec une dureté pouvant atteindre 35 GPa.

1.Céramique de nitrure de siliciums

• Méthodes de production des céramiques en nitrure de silicium :

Il existe deux méthodes de fabrication de produits céramiques en nitrure de silicium : le frittage réactif et le frittage par pressage à chaud. Le frittage réactif consiste à façonner un mélange de poudre de silicium, seule ou combinée à d'autres matériaux. Poudre de nitrure de silicium Le procédé de fabrication suit les méthodes générales de production de céramique. Le matériau est ensuite pré-nitruré dans un four de nitruration à des températures comprises entre 1150 et 1200 °C. Après avoir atteint une certaine résistance, il peut être usiné sur des machines-outils, puis nitruré à des températures comprises entre 1350 et 1450 °C pendant 18 à 36 heures jusqu'à sa conversion complète en nitrure de silicium. Les produits ainsi obtenus présentent des dimensions précises et un volume stable. La méthode de frittage par pressage à chaud consiste à presser de la poudre de nitrure de silicium avec une petite quantité d'additifs (tels que MgO, Al).₂LE₃, MgF₂, AlF₃, ou Fe₂LE₃) sous des conditions de pression supérieures à 19,6 MPa et à des températures comprises entre 1600 et 1700 °C. Généralement, les produits obtenus par frittage à chaud présentent une densité plus élevée et de meilleures performances que ceux fabriqués par frittage réactif.

• Les avantages des céramiques en nitrure de silicium :

a. Résistance à la chaleur, sous pression normale, Si₃N₄ n'a pas de point de fusion, se décompose directement à environ 1870°C, peut résister à l'oxydation jusqu'à 1400°C et peut être utilisé jusqu'à 1200°C (la résistance mécanique diminue après 1200°C).
b. Haute résistance mécanique, dureté proche de celle du corindon, résistance à l'usure par autolubrification. La résistance à la flexion à température ambiante peut atteindre 980 MPa, comparable à celle de l'acier allié, et se maintient jusqu'à 1200 °C sans diminution.
c. Haute stabilité thermique, faible coefficient de dilatation thermique, conductivité thermique élevée, bonne résistance aux chocs thermiques, ne se fissure pas sous l'effet des chocs thermiques de la température ambiante à 1000 °C.
d. Propriétés chimiques stables, résistance à la corrosion : à l’exception de l’acide fluorhydrique, il ne réagit pas avec les autres acides inorganiques ; une solution de soude caustique (NaOH) à une concentration inférieure à 30 % résiste à l’érosion par de nombreuses substances organiques ; il ne mouille pas divers métaux non ferreux en fusion (notamment l’aluminium liquide) ; il supporte les fortes irradiations. Il ne réagit pas avec l’oxygène dans une atmosphère sèche à 800 °C et commence à former un film d’oxyde de silicium en surface au-delà de 800 °C. Il conserve sa stabilité jusqu’à 1 400 °C.
e. Faible densité, faible densité relative, seulement 2/5 de l'acier, bonne isolation électrique.
f. Les céramiques en nitrure de silicium possèdent également de bonnes propriétés de transmission micro-ondes, des propriétés diélectriques et une résistance aux hautes températures, et peuvent être utilisées comme radômes radar pour les aéronefs.

2. Application des céramiques en nitrure de silicium

• Domaine aérospatial : La céramique de nitrure de silicium est résistante à la chaleur et conserve une résistance et une rigidité élevées même à 1 400 °C. Les céramiques renforcées par des fibres continues peuvent être utilisées pour les composants de turbines, notamment les aubes de petits moteurs, les bagues extérieures de turbines et les paliers à air. De plus, la céramique de nitrure de silicium présente une densité plus faible (seulement 41 % de celle des paliers en acier), ce qui permet de réduire efficacement le poids des moteurs d’avion et la consommation de carburant.

• Génie mécanique : Les céramiques en nitrure de silicium présentent un faible coefficient de frottement, sont autolubrifiantes, offrent une haute résistance, un faible coefficient de dilatation thermique et une faible variation de volume en fonction de la température. Elles empêchent efficacement le blocage des billes ou des bagues d'étanchéité, résistent aux environnements de travail difficiles et peuvent être utilisées pour la fabrication de vannes à bille, de corps de pompe, de bagues d'étanchéité, de filtres, de composants d'échangeurs de chaleur, de supports de catalyseurs immobilisés, etc. La durée de vie des billes de roulement est supérieure à celle des roulements ordinaires, mais le coût de production est relativement élevé. Le nitrure de silicium, grâce à son faible coefficient de frottement, est utilisé dans les roulements haute température. Sa température de fonctionnement peut atteindre 1 200 °C, soit 2,5 fois plus élevée que celle des roulements en alliage ordinaire, et sa vitesse de rotation est 10 fois supérieure. Actuellement, les roulements en céramique de nitrure de silicium sont principalement utilisés dans quatre domaines : (1) les roulements à grande vitesse, (2) les roulements haute température, (3) les roulements sous vide et (4) les roulements anticorrosion.
• Broyage ultrafin : Le nitrure de silicium possède une dureté élevée, surpassée seulement par le diamant et le nitrure de bore cubique. Grâce à sa très faible consommation, il réduit l’usure du milieu de broyage et la contamination de l’abrasif, ce qui favorise l’obtention d’une poudre ultrafine de haute pureté. Les billes en céramique de nitrure de silicium sont des produits céramiques de précision frittés à haute température en milieu non oxydant. Résistantes aux acides et aux bases, à la corrosion et présentant d’autres caractéristiques, elles peuvent être utilisées durablement en eau de mer. De plus, leurs excellentes propriétés d’isolation et d’autolubrification permettent leur utilisation dans des environnements sans lubrifiant et fortement pollués. À 800 °C, la résistance et la dureté des billes en céramique de nitrure de silicium restent quasiment inchangées, et leur poids est environ un tiers de celui de l’acier à roulement. Par conséquent, les billes en céramique de nitrure de silicium constituent le matériau de choix pour les roulements céramiques et hybrides, et jouent un rôle important dans le domaine du broyage ultrafin.
• Matériaux des moteurs à combustion interne automobiles : Actuellement, les pièces résistantes à la chaleur des moteurs à combustion interne sont fabriquées à partir de matériaux réfractaires à base de nickel, et leur température de fonctionnement est d'environ 1 000 °C. L'utilisation de matériaux céramiques permettrait d'atteindre 1 300 °C, augmentant ainsi le rendement du moteur d'environ 30 %. La céramique présente une résistance mécanique et une conductivité thermique élevées, ce qui contribue à prolonger la durée de vie du moteur. Les bougies de préchauffage peuvent être fabriquées en céramique de nitrure de silicium, qui offre une bonne isolation électrique et une excellente résistance aux variations de température. Ces bougies atteignent 1 000 °C plus rapidement que les bougies métalliques, et leur température de fonctionnement élevée permet de réduire considérablement le temps de démarrage du moteur, notamment par temps froid.