Cales son as aplicacións das cerámicas de nitruro de silicio?

  nitruro de silicio é un composto inorgánico coa fórmula química Si₃N₄É insoluble en auga, cun peso molecular de 140,283 e ten unha cor gris ou branco agrisada. Pertence a unha clase de compostos insolubles a alta temperatura, que non presentan punto de fusión e unha forte resistencia á fluencia a alta temperatura. A súa solubilidade está limitada ao ácido fluorhídrico e ao ácido fosfórico quente, xa que non reacciona con outros ácidos inorgánicos, o que demostra unha alta resistencia á corrosión. O nitruro de silicio (Si3N4) existe en tres formas cristalográficas: fases α, β e γ. As fases α e β son as formas máis comúns de Si3N4 e pódense sintetizar a presión atmosférica. A fase γ só se pode obter en condicións de alta presión e alta temperatura, cunha dureza que pode alcanzar os 35 GPa.

1.Cerámica de nitruro de silicios

• Métodos de produción de cerámica de nitruro de silicio:

Existen dous métodos para a produción de produtos cerámicos de nitruro de silicio: o método de sinterización reactiva e o método de sinterización por prensado en quente. O método de sinterización reactiva implica dar forma a unha mestura de po de silicio ou po de silicio combinado con po de nitruro de silicio segundo os métodos xerais de produción cerámica. Despois, é prenitrificado nun forno de nitrificación a temperaturas que oscilan entre os 1150 e os 1200 °C. Despois de alcanzar unha certa resistencia, pode procesarse mecanicamente en máquinas-ferramenta, seguido dunha nitruración adicional a temperaturas entre os 1350 e os 1450 °C durante 18 a 36 horas ata que se converta completamente en nitruro de silicio. Os produtos producidos deste xeito presentan dimensións precisas e un volume estable. O método de sinterización por prensado en quente implica prensar po de nitruro de silicio cunha pequena cantidade de aditivos (como MgO, Al₂O/A₃, MgF₂, AlF₃, ou Fe₂O/A₃) en condicións de presión superiores a 19,6 MPa e a temperaturas entre 1600 e 1700 °C. En xeral, os produtos obtidos mediante o método de sinterización por prensado en quente posúen unha maior densidade e un mellor rendemento en comparación cos fabricados mediante sinterización reactiva.

• Vantaxes da cerámica de nitruro de silicio:

a. Resistencia á calor, a presión normal, Si₃N₄ non ten punto de fusión, descomponse directamente a uns 1870 °C, pode resistir a oxidación ata 1400 °C e o uso real ata 1200 °C (a resistencia mecánica diminuirá despois de 1200 °C).
b. Alta resistencia mecánica, dureza próxima ao corindón, resistencia ao desgaste autolubricante. A resistencia á flexión á temperatura ambiente pode chegar aos 980 MPa, o que se pode comparar co aceiro de aliaxe, e a resistencia pódese manter ata os 1200 ° sen diminuír.
c. Alta estabilidade térmica, pequeno coeficiente de expansión térmica, alta condutividade térmica, boa resistencia ao choque térmico, desde a temperatura ambiente ata os 1000 °C, o choque térmico non se rachará.
d. Propiedades químicas estables, resistencia á corrosión, agás que o ácido fluorhídrico non reacciona con outros ácidos inorgánicos, unha concentración de solución de sosa cáustica (NaOH) inferior ao 30 % tamén pode resistir a erosión de moitas substancias orgánicas, non molla unha variedade de metais non ferrosos fundidos (especialmente o aluminio líquido), pode soportar unha forte irradiación por radiación. Non reacciona co osíxeno nunha atmosfera seca de 800 °C e comeza a formar unha película de óxido de silicio na superficie cando supera os 800 °C. Pódese manter ata 1400 °C e é basicamente estable.
e. Baixa densidade, pequena gravidade específica, só 2/5 de aceiro, bo illamento eléctrico.
f. As cerámicas de nitruro de silicio tamén teñen boas propiedades de transmisión de microondas, propiedades dieléctricas e resistencia a altas temperaturas, e pódense usar como radomos de radar para aeronaves.

2. A aplicación de cerámica de nitruro de silicio

• Campo aeroespacial: a cerámica de nitruro de silicio é resistente á calor e mantén unha alta resistencia e rixidez mesmo a 1400 °C. As cerámicas reforzadas con reforzo continuo de fibra pódense aplicar a compoñentes de turbinas, especialmente en palas cerámicas de motores pequenos, aneis exteriores de turbinas e rodamientos de aire. Ademais, a cerámica de nitruro de silicio ten unha densidade menor, só o 41 % en comparación cos rodamientos de aceiro, o que reduce eficazmente o peso dos motores de aeronaves e diminúe o consumo de combustible.

• Enxeñaría mecánica: a cerámica de nitruro de silicio ten un pequeno coeficiente de fricción, autolubricante, alta resistencia, pequeno coeficiente de expansión térmica, pequena variación de volume pola temperatura, evita eficazmente que a bóla ou o anel de selado se atasque, pode soportar un ambiente de traballo duro e pódese converter en válvulas de bóla, corpos de bomba, aneis de selado, filtros, pezas de intercambiador de calor, portadores de catalizadores inmobilizados, etc. A vida útil da bóla do rolamento tamén é maior que a dos rolamentos ordinarios, pero o custo de produción tamén é relativamente alto. O nitruro de silicio ten un pequeno coeficiente de fricción e úsase en rolamentos de alta temperatura, e a súa temperatura de traballo pode alcanzar os 1200 °C, que é 2,5 veces maior que a dos rolamentos de aliaxe ordinarios, e a velocidade de traballo é 10 veces maior que a dos rolamentos ordinarios. Na actualidade, os rolamentos cerámicos de nitruro de silicio úsanse principalmente en catro aspectos: (1) rolamentos de alta velocidade, (2) rolamentos de alta temperatura, (3) rolamentos de baleiro e (4) rolamentos de corrosión.
• Moenda ultrafina: o nitruro de silicio ten unha dureza elevada, só superada polo diamante e o nitruro de boro cúbico. Debido ao seu baixo consumo, reduce o desgaste do medio de moenda e a contaminación do material abrasivo, o que favorece a obtención de po ultrafino de maior pureza. As bólas cerámicas de nitruro de silicio son produtos cerámicos de precisión sinterizados a alta temperatura nun ambiente non oxidante, con resistencia aos ácidos e álcalis, resistencia á corrosión e outras características, non só se poden usar en auga de mar durante moito tempo, senón que tamén teñen un excelente illamento e autolubricación, polo que se poden usar nun ambiente sen medios de lubricación e alta contaminación. A 800 °C, a resistencia e a dureza das bólas cerámicas de nitruro de silicio case non cambian, e o peso é case 1/3 do do aceiro para rolamentos. Como resultado, as bólas cerámicas de nitruro de silicio non só poden converterse nas esferas preferidas para rolamentos cerámicos e rolamentos cerámicos híbridos, senón que tamén desempeñan un papel importante no campo da moenda ultrafina.
• Materiais nos motores de combustión interna para automóbiles: Na actualidade, o material de fabricación das pezas resistentes á calor do motor de combustión interna son materiais resistentes á calor a base de níquel, e a temperatura de traballo é duns 1000 °C. Se se usan materiais cerámicos, a temperatura de funcionamento pode aumentarse a 1300 °C, o que aumenta a eficiencia do motor nun 30 % aproximadamente. As cerámicas teñen unha alta resistencia ás altas temperaturas e condutividade térmica, o que pode prolongar a vida útil do motor. O uso de cerámica de nitruro de silicio con bo illamento eléctrico e rápida resistencia ao frío e á calor pódese usar para fabricar buxías de precalentamento. As buxías de precalentamento cerámicas de nitruro de silicio quéntanse ata 1000 °C máis rápido que as buxías de precalentamento metálicas. A alta temperatura de traballo, o seu uso para o acendido do coche pode acurtar considerablemente o tempo de arranque do motor e pode arrincar rapidamente o coche en tempo frío.