O nitreto de silício é um material cerâmico de alto ponto de fusão, extremamente duro e relativamente inerte do ponto de vista químico. O material é preparado aquecendo-se o silício em pó entre 1300 °C e 1400 °C em uma atmosfera de nitrogênio. Em seguida, o pó de nitreto de silício pode ser sinterizado no formato projetado.
Por ser um dos materiais cerâmicos técnicos mais estáveis termodinamicamente e com alta dureza, a cerâmica de nitreto de silício é ideal para peças de rolamento, especialmente para aquelas que precisam trabalhar em alta velocidade e alta temperatura. As esferas de rolamento de Si3N4 já foram aplicadas em automóveis, motores de foguetes de alta velocidade, equipamentos que trabalham em um ambiente corrosivo e alguns modelos de carros de alto desempenho. Em comparação com o aço, as esferas de cerâmica de alto desempenho têm melhores propriedades mecânicas sob altas temperaturas e podem sobreviver à maioria dos produtos químicos corrosivos.
O nitreto de silício também tem sido usado em aplicações de alta temperatura, como motores de foguetes. Ele foi considerado um dos poucos materiais cerâmicos monolíticos capazes de sobreviver ao choque térmico severo e aos gradientes térmicos gerados nos motores de foguete de hidrogênio-oxigênio.
Tipos de cerâmica de nitreto de silício
As cerâmicas de nitreto de silício estão disponíveis em vários tipos, cada um produzido com métodos de fabricação diferentes, o que resulta em variações em suas propriedades e aplicações. Os principais tipos incluem
Nitreto de silício ligado por reação (RBSN):
Produzido por nitretação de um compacto de silício a cerca de 1450°C.
O Si₃N₄ cresce na porosidade do compacto, resultando em uma mudança dimensional mínima.
Permite a produção de formas quase líquidas, reduzindo a necessidade de retificação dispendiosa.
Contém porosidade, o que leva a propriedades mecânicas mais baixas em comparação com outros tipos.
Produção relativamente barata.
Aplicações: móveis para fornos.
Nitreto de silício prensado a quente (HPSN):
Aplicações como ferramentas de corte.
Formas simples devido à necessidade de retificação com diamante.
Mais caro e amplamente substituído pelo SSN.
Nitreto de silício ligado por reação sinterizado (SRBSN):
Uma tentativa de reduzir a porosidade final do RBSN, melhorando suas propriedades mecânicas.
Desenvolvimentos mais recentes mostraram melhorias na tenacidade e na resistência ao impacto devido ao crescimento de grãos de nitreto de silício que desviam as trincas.
Nitreto de silício sinterizado por pressão de gás (GPSN):
Obtido a uma pressão de 1~10MPA e em torno de 2000℃.
A alta pressão de nitrogênio inibe a pirólise do nitreto de silício e promove o crescimento de grãos de Si3N4, de modo que é possível obter cerâmicas de alta tenacidade com densidade superior a 99%.
O GPSN tem alta tenacidade, alta resistência e excelente resistência ao desgaste; tem bom desempenho de processamento e pode ser processado diretamente no formato desejado, reduzindo bastante os custos de produção e de processamento.
Nitreto de silício sinterizado (SSN):
Densificado por sinterização sem pressão em uma atmosfera de nitrogênio a cerca de 1750°C.
Usa aditivos de sinterização, como óxido de ítrio, óxido de magnésio e óxido de alumínio, para ajudar na densificação.
Oferece as melhores propriedades mecânicas para o nitreto de silício.
Mais amplamente utilizado em aplicações industriais.
Aplicações: manuseio de metal fundido, desgaste industrial, conformação de metal, indústrias de petróleo e gás e indústrias químicas e de processamento.
Propriedades do nitreto de silício
Alta resistência: Mantém sua resistência mesmo em altas temperaturas.
Dureza: Material muito duro (8,5 na escala Mohs).
Resistência: Resistente à fratura e ao desgaste.
Estabilidade térmica: Excelente resistência a choques térmicos e mantém a estabilidade dimensional em altas temperaturas.
Inércia química: Relativamente inerte do ponto de vista químico, resiste ao ataque da maioria dos ácidos e álcalis.
Baixa densidade: Material leve com densidade de cerca de 3,2 g/cm³.
Isolamento elétrico: Bom isolante elétrico.
Aplicações do nitreto de silício
As propriedades exclusivas do nitreto de silício o tornam adequado para uma ampla gama de aplicações exigentes:
Indústria automotiva: Usado para componentes de motores como velas de incandescência, balancins e rotores de turbocompressores.
Indústria aeroespacial: Componentes que exigem resistência a altas temperaturas e a choques térmicos.
Peças de desgaste industrial: Rolamentos, vedações e ferramentas de corte.
Manuseio de metal fundido: Bainhas de termopar e cadinhos.
Produtos eletrônicos: Substratos e isoladores.
Medicina: instrumentos cirúrgicos e implantes odontológicos.
Nitreto de silício em pó
O pó de nitreto de silício de alta pureza é produzido usando o processo de decomposição de imida, conhecido por sua pureza, morfologia controlada e fase cristalina. Diferentes graus de pó estão disponíveis com tamanhos e distribuições de partículas variados para atender aos requisitos de aplicações específicas.
Estrutura cristalina
O nitreto de silício existe em três estruturas cristalográficas principais: fases α, β e γ. As fases α e β são as mais comuns e podem ser produzidas sob condições normais de pressão, enquanto a fase γ é sintetizada sob altas pressões e temperaturas.As fases α e β-Si₃N₄ têm estruturas trigonais e hexagonais, respectivamente, construídas a partir de tetraedros de SiN₄ compartilhados nos cantos.
Produtos de nitreto de silício
Uma variedade de produtos de nitreto de silício está disponível, incluindo pós, componentes e peças de engenharia personalizadas. Esses produtos são feitos sob medida para atender aos requisitos específicos de diversas aplicações em vários setores.
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