Por que o nitruro de silicio (Si₃N₄) non recibe "cero críticas negativas"

Crerías que despois do seu descubrimento inicial, nitruro de silicio se usaba en realidade simplemente como "fertilizante"? A xente cría que combinar silicio con nitróxeno e espallar nitruro de silicio nos campos podía liberar nitróxeno para nutrir as plantas.

Máis tarde, os investigadores recoñeceron o potencial do nitruro de silicio como material cerámico estrutural de alto rendemento. Estudos posteriores confirmaron esta hipótese. En consecuencia, aproveitando as súas excepcionais propiedades (resistencia a altas temperaturas, Resistencia ao desgaste, baixa densidade, alta resistencia e dureza extrema: as cerámicas de nitruro de silicio adoptáronse amplamente en diversos campos: metalurxia, aeroespacial, enerxía, maquinaria, tecnoloxía militar, óptica e fabricación de vidro.

Así, o nitruro de silicio (cerámica) gañou a súa reputación como un material cerámico case perfecto. A industria outorgoulle con entusiasmo títulos impresionantes como: "O campión xeral dos materiais".,"A cerámica de máximo rendemento","Aceiro cerámico".

1. Por que verdadeiramente "omnipotente"?

nitruro de silicio (Si₃N₄) é un composto fortemente covalente con aproximadamente un 70 % de carácter de enlace covalente. A unidade estrutural fundamental do seu cristal é un tetraedro de silicio-nitróxeno, onde un átomo de silicio ocupa o centro do tetraedro e os átomos de nitróxeno residen nos seus catro vértices. Cada átomo de nitróxeno é compartido por tres tetraedros que se superpoñen mutuamente, formando colectivamente unha estrutura de rede tridimensional continua e estable.

Figura1Diagrama esquemático da unidade estrutural tetraédrica de nitruro de silicio

 nitruro de silicio (Si₃N₄) recoñécese xeralmente que os cristais presentan tres formas polimórficas: a fase α hexagonal, a fase β hexagonal e a fase γ cúbica. Non obstante, o γ-Si₃N₄ só se pode sintetizar en condicións de alta temperatura e alta presión (>15 GPa, 1500 °C). En consecuencia, a investigación sobre as estruturas de nitruro de silicio céntrase principalmente no α-Si₃N₄ e no β-Si₃N₄. As propiedades dos cristais están intrinsecamente ligadas ás súas configuracións espaciais. O β-Si₃N₄ demostra unha estabilidade termodinámica superior, soportando temperaturas superiores a 1420 °C, mentres sofre unha transformación de fase reconstrutiva da configuración α á configuración β a temperaturas elevadas.

Figura2Estrutura cristalina do nitruro de silicio

O nitruro de silicio presenta características direccionais e saturantes nas súas ligazóns covalentes. Como cristal covalente, a alta forza de unión entre os átomos confire ao nitruro de silicio unha dureza e unha resistencia mecánica excelentes. Os seus produtos cerámicos son resistentes ao desgaste e posúen unha alta resistencia á flexión e á compresión. A falla por desgaste das cerámicas de nitruro de silicio ocorre dun xeito similar ao dos metais, caracterizado polo descamación capa por capa en lugar da fractura. O nitruro de silicio é lixeiro, cunha baixa densidade que o fai significativamente máis lixeiro que materiais como o aceiro, o aceiro de aliaxe e a aliaxe de titanio do mesmo volume. Debido ás súas unidades tetraédricas que forman unha estrutura de rede espacial, o nitruro de silicio presenta unha forte estabilidade química, o que lle permite soportar a erosión de todos os ácidos e bases inorgánicos, excepto o ácido fluorhídrico. A densa disposición cristalina lamelar do β-Si3N4 dota ao nitruro de silicio dunha excepcional resistencia a altas temperaturas e resistencia ao choque térmico. Ademais, o seu baixo coeficiente de expansión térmica e a súa alta condutividade térmica permítenlle soportar temperaturas de oxidación de ata 1300~1400 °C, descompoñéndose só a temperaturas superiores a 1800 °C. O nitruro de silicio tamén posúe unha boa actividade antibacteriana e osteocondutividade. Os materiais de nitruro de silicio, cando se sinterizaron a altas temperaturas, poden mostrar unha superficie microrugosa composta por cristas β-Si3N4 sobresaíntes. Esta estrutura superficial única pode influír nas interaccións bacterianas, demostrando bos efectos antibacterianos ao tempo que mellora a adhesión dos osteoblastos, sentando así as bases para a posterior diferenciación osteoxénica e o crecemento óseo. En termos de propiedades, as cerámicas de nitruro de silicio son realmente moi completas. Non obstante, como material cerámico, non se pode esperar que presente unha tenacidade similar á dos metais; non obstante, a súa tenacidade á fractura segue sendo significativamente maior que a doutros materiais cerámicos como o nitruro de aluminio e a alúmina (aínda que máis débil que Circonia).

1. O rendemento do "Todopoderoso": aplicacións do nitruro de silicio

En 1955, Collins e Gerby, do Reino Unido, produciron por primeira vez nitruro de silicio en forma cerámica empregando o método de sinterización reactiva. Desde entón, a aplicación do nitruro de silicio expandiuse principalmente en forma cerámica. Os produtos cerámicos aproveitaron plenamente as excelentes propiedades térmicas, químicas e mecánicas do material, ampliando os campos de aplicación comercial do nitruro de silicio, en liña cos desenvolvementos tecnolóxicos e industriais de alta gama emerxentes. Úsase amplamente en enxeñaría mecánica, electrónica de semicondutores, aplicacións biomédicas, fabricación metalúrxica, transmisión de ondas, óptica e outros campos, reflectindo plenamente as características dun "campión polivalente".

Aeroespacial:

As cerámicas porosas de nitruro de silicio posúen unha resistencia á flexión relativamente alta e unha densidade máis baixa, o que as converte nun dos factores clave para a súa aplicación no campo aeroespacial. Tamén presentan resistencia á fluencia, o que mellora a estabilidade estrutural a altas temperaturas. Este material ten unha variedade de propiedades adicionais, incluíndo dureza, características electromagnéticas e resistencia térmica, e utilízase como material transmisor de ondas para a fabricación de cubertas e fiestras de antenas. Co desenvolvemento da industria da defensa, os mísiles están a avanzar cara a números de Mach elevados, ancho de banda amplo, multimodo e guiado de precisión. As excelentes propiedades das cerámicas de nitruro de silicio e os seus materiais compostos, incluíndo a protección térmica, a transmisión de ondas e as capacidades de soporte de carga, convértenos nun dos materiais transmisores de ondas de alto rendemento para a próxima xeración de investigación.

Figura3Cuberta de antena de mísil de nitruro de silicio (gris)

Enxeñaría mecánica:

As cerámicas de nitruro de silicio utilízanse principalmente na industria metalúrxica para aplicacións como tubos de protección contra a radiación térmica, boquillas de queimadores e crisois. Na industria mecánica, utilízanse como válvulas, tubaxes, rodas de clasificación e ferramentas de corte cerámico. A aplicación máis estendida é nas bólas de rodamentos cerámicos de nitruro de silicio, en particular nos rodamentos de nitruro de silicio, que se usan amplamente nos equipos de xeración de enerxía eólica.

Figura4Bolas de rodamentos de cerámica de nitruro de silicio

Ciencias Biomédicas：

Co avance continuo da investigación de materiais biomédicos, descubriuse que as cerámicas de nitruro de silicio non só posúen unha boa biocompatibilidade e propiedades osteoxénicas, senón que tamén mostran unha afinidade favorable coas células e outros tecidos biolóxicos, xunto cun excelente rendemento de imaxe, o que as converte nun material biomédico ideal. Tiveron aplicacións preliminares en implantes para biosensores, cirurxías da columna vertebral, ortopedia e odontoloxía.

Electrónica：

Para cumprir co desenvolvemento sistemático, intelixente e integrado no campo da ciencia e a tecnoloxía electrónicas, a potencia de entrada dos chips electrónicos nos dispositivos semicondutores continúa a aumentar, e o grao de integración de circuítos e a densidade dos cables están a aumentar, o que resulta nun aumento da calor xerada polo dispositivo, o que dificulta a disipación da calor do substrato de envasado electrónico e convértese na principal razón para inhibir o dispositivo para mellorar a eficiencia do traballo. O nitruro de silicio ten unha alta condutividade térmica teórica, un alto valor de tensión de illamento resistente, unha forte resistencia á oxidación e un coeficiente de expansión térmica que coincide co material do chip no envase, o que pode cumprir os requisitos de preparación dos materiais de substrato de disipación de calor de alta potencia e pódese usar para o envasado e a disipación de calor de circuítos de alta velocidade e dispositivos semicondutores de alta potencia como IGBT, LG e CPV.

Conclusión

Desde a perspectiva do rendemento integral e unha ampla gama de aplicacións, non é unha esaxeración chamar ao nitruro de silicio (cerámica) o campión xeral.