Compreendendo a microestrutura do nitreto de silício
Cerâmica de nitreto de silício (Si3N4) são amplamente empregados na indústria devido à sua alta resistência, bem como resistência térmica, ao desgaste e à fluência. Consequentemente, estas cerâmicas continuam a constituir a base de extensos estudos em materiais de alto desempenho, incluindo a otimização das diferentes fases de produção.
Os materiais cerâmicos oferecem a vantagem de uma alta relação resistência/peso quando utilizados em aplicações estruturais. Para controlar o crescimento dos grãos, a sinterização a temperaturas superiores a 1,700 °C é um método preferido.
A cerâmica de nitreto de silício continua sendo uma das cerâmicas de melhor desempenho entre os grupos óxidos e não óxidos. A Saint-Gobain High-Performance Ceramics & Refractories tem ampla experiência na fabricação de cerâmicas de engenharia compactas e de alta resistência para as aplicações industriais mais intensivas.
Microestrutura do Nitreto de Silício
O nitreto de silício é um composto sólido que pode ser formado pela reação direta entre o silício e o nitrogênio. Apresenta-se em três fases distintas caracterizadas pela sua estrutura cristalina, a saber:
- As fases α e β, que são as mais comuns, exibem estruturas cristalinas hexagonais (compartilhamento de cantos, SiN tetraédrico4 com fortes ligações Si-N, resultando em uma estrutura 3D rígida e em camadas). Ambas as fases são sintetizadas a pressões normais; a fase α se forma em baixas temperaturas com a transição para a fase β ocorrendo entre 1,400°C e 1,600°C.
- A fase γ, que só se forma em altas temperaturas e pressões.
Aditivos de Sinterização
A sinterização é um processo de tratamento térmico comumente aplicado a pós. Para controlar a formação de microestruturas – ou seja, a formação de estruturas ligadas covalentemente resultando na tenacidade do material – a introdução de aditivos de sinterização durante a produção é crucial. Terras raras e óxidos metálicos, como óxido de ítrio (Y2O3) e Óxido de Alumínio (Al2O3) são aditivos de sinterização comuns.
Em um estudo, observou-se que:
- Apesar dos aumentos fracionários de β-Si3N4 (de 7.67 a 57.34% em peso) durante a transformação inicial da fase α para β, o tamanho médio do grão e a dureza (cerca de 20 GPa) permanecem inalterados. Depois disso, os grãos adotam uma estrutura semelhante a uma haste acompanhada por um aumento substancial na tenacidade à fratura (de 3.36 para 7.11 MPaM1/2).
- Durante a sinterização do segundo estágio, β-Si3N4 atinge 100.00% em peso acompanhado por um rápido aumento no tamanho do grão. Isso resulta em um aumento fracionário na tenacidade à fratura (de 7.11 para 7.61 MPaM1/2) contra uma notável redução na dureza (de 20 GPa para 16.80 GPa).
Foi demonstrado que a introdução de uma segunda fase de alta dureza - como carboneto de silício (SiC), carboneto de titânio (TiC) ou nitreto de titânio (TiN) - melhora a tenacidade à fratura e a dureza dos materiais de engenharia de nitreto de silício. Isso mostra que cerâmicas microestruturadas bimodais (fases α e β) podem ser adaptadas para a produção de materiais com desempenho ideal.
Propriedades do nitreto de silício
A dureza dos materiais avançados de nitreto de silício é linearmente proporcional à sua resistência. Como mencionado anteriormente, as propriedades mecânicas podem ser significativamente melhoradas através da introdução de aditivos de sinterização. Em aplicações industriais, as ferramentas projetadas com nitreto de silício apresentam desempenho de corte superior em materiais como ferro dúctil, ferro fundido maleável e ferro fundido cinzento devido às suas excelentes propriedades mecânicas em alta temperatura.
Em outro estudo, materiais cerâmicos de carboneto de silício compreendendo 1% em peso de Co e 10% em peso de WC apresentaram desempenho ideal a uma temperatura de sinterização de 1,650 °C, alcançando tenacidade à fratura de 7.26 MPaM1/2, resistência à flexão à temperatura ambiente de 1,132 MPa e dureza de 16.96 GPa. Além disso, a microestrutura não apresentou nenhum crescimento anormal. Materiais de nitreto de silício produzidos pela Saint-Gobain exibem:
- Resistência à flexão superior (850 MPa)
- Alta tenacidade à fratura (7 MPaM1/2)
- Baixa densidade (3.17 g / cm3)
Ao adaptar composições e parâmetros de sinterização, materiais de nitreto de silício de alta temperatura podem ser introduzidos em uma ampla gama de aplicações industriais.
Aplicações da Cerâmica de Nitreto de Silício
As cerâmicas de nitreto de silício combinam propriedades térmicas, mecânicas e químicas superiores para uma ampla gama de aplicações industriais, superando o desempenho de metais e polímeros. A prensagem isostática a quente (HIP) e a sinterização por plasma centelhado (SPS) são métodos comuns empregados na produção comercial de materiais de nitreto de silício.
Devido à sua alta resistência e tenacidade à fratura, além de resistência superior à oxidação, à corrosão e ao desgaste, as cerâmicas de nitreto de silício estão sendo consideradas para uma ampla gama de aplicações estruturais em alguns dos ambientes operacionais mais difíceis nos setores aeroespacial, automotivo, de petróleo e gás e muito mais. , Incluindo:
- Dispositivos de energia de última geração.
- Rotores do turbocompressor.
- Superfícies dentro das bombas (como vedações, impulsores, eixos).
- Componentes de face de vedação (em bombas de água pressurizada, bombas de reatores de água de caldeira e outros).
- Componentes do motor diesel.
- Motores de turbina a gás.
Cerâmica de nitreto de silício da Saint-Gobain
Com um firme domínio das complexidades associadas à fabricação de materiais de alto desempenho, a Saint-Gobain High-Performance Ceramics & Refractories produz materiais de alta qualidade, prensados a quente e sinterizados. nitreto de silício cerâmica com exigência mínima de acabamento pós-produção.
