Nitruro de Silicio
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Nitruro de silicio (Si3N4). Material dominante para los usos de cerámica estructurales en ambientes de la alta tensión mecánica y térmica por ejemplo en los motores de vehículos de la propulsión.
Sumario
Características
Las características hacen a este material el único conveniente para alta tensión mecánica a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas, buena resistencia a la oxidación y al desgaste a altas temperaturas, alta resistencia al choque térmico, resistencia excelente a la abrasión y a la corroción, baja tensidad, y, por lo tanto, un momento bajo de inercia. Además, el nitruro de silicio se fabrica de Materias primas abundantes.
- El único material conveniente para alta tensión mecánica a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas.
- Buena resistencia a la oxidación y al desgaste a altas temperaturas.
- Alta resistencia al choque térmico.
- Resistencia excelente a la abrasión y a la corrosión.
- Baja densidad.
- Baja inercia.
- Se fabrica en materias primas abundantes.
Modo de densificación del material
- Propiedad Enlazado
- Por reacción Sinterizado Prensado
- En caliente prensado
- Isostático
- Densidad, kg/m3 2.5 3.26 3.23 3.2
- Modulo de elasticidad, GPa 180 300 310 310
- Dureza, kg/mm2 1350 1370 1620 1800
- Resistencia a la torsión, MPa a temperatura ambiente 340 700 900 700
- 1000ºC 600 610
- 1200ºC 480 570
- 1370ºC 210 580 310
- Resistencia a la fractura MPa√m 3-4 4.6 4.7-5.5 4.9
- Coeficiente de expansión térmica, x10-6/ºC 3 3.9 3.9 3.5
- Coeficiente de conductividad térmica,W/(mK) a 25ºC 12 32 38 32
Propiedades
Propiedades eléctricas
- Constante dieléctrica 10
- Resistividad de volumen @25C ( Ohmcm ) >107
Propiedades físicas
- Densidad ( g cm-3 ) 2,4
- Porosidad aparente ( % ) 15-23
Propiedades mecánicas
- Dureza - Vickers ( kgf mm-2 ) 800-1000
- Módulo de tracción ( GPa ) 170-220
- Resistencia a la cizalla ( MPa ) 190-240
- Resistencia a la compresión ( MPa ) 550-650
Propiedades térmicas
- Calor específico a 25C ( J K-1 kg-1 ) 690
- Coeficiente de expansión térmica a 20-1000C ( x10-6 K-1 ) 3,3
- Conductividad térmica @20C ( W m-1 K-1 ) 10-16
- Temperatura máxima de utilización continua ( C ) 1200-1500
Resistencia química
- Ácidos – concentrados- Aceptable
- Ácidos – diluidos Buena
- Álcalis- Aceptable
- Halógenos- Buena
- Metales- Aceptable
Sistema Material
Hay dos técnicas básicas para la síntesis industrial del polvo Si3N4, aunque existen otros métodos disponibles. El más antiguo y más extensamente utilizado es el método de nitració n del silicio.
El silicio se calienta en una atmósfera del nitrógeno a las temperaturas de 1100-1450 ºC en la presencia de un catalizador de hierro. La pureza del producto depende de la pureza de los materiales de partida, de la cantidad de catalizador usada, y del grado al cual se quita el catalizador. El otro proceso comercial es una reacción donde el tetracloruro del silicio o un silano reaccionan con amoníaco líquido a bajas temperaturas.
El compuesto del silicio se disuelve en un solvente aromático tal como tolueno y la imida de silicio se forma en el interfaz entre el amoníaco líquido y la fase orgánica. La imida de silicio se separa y se convierte térmicamente al nitruro de silicio cristalino dando por resultado un polvo de la pureza elevada.
El nitruro de silicio existe en dos modificaciones cristalográficas hexagonales señaladas como la α y las β-fases.
La fase β es frecuente a altas temperaturas. Las impurezas metálicas son negativas para las características termomecánicas del Si3N4 y en los polvos más puros su concentración total no excede de 100 ppm.
Los niveles de tolerancia para los metales varían, pero cualquier contaminante preferiblemente se debe dispersar homogéneamente en el polvo que estar presente en partículas discretas. Los álcalis y los metales que forman los cristales que tienen un bajo punto de fusión son inaceptables porque pueden causar fallos a las altas temperaturas.
El aluminio y el magnesio no son problemáticos por lo que se utilizan con frecuencia como aditivos de sinterización. Los metales de la transición tales como Fe, Ni, o Cr pueden afectar a la dureza del material.
Aplicaciones
El nitruro de silicio es el material principalmente utilizado para los componentes en motores de ultima tecnología, diesel, y de turbina gas. La gama de piezas de cerámica potencialmente útiles incluye componentes estructurales estáticos y los dinámicos tales como rotores del turbo, rotores de turbina del generador de gas, válvulas, guías de la válvula, asientos de válvula, componentes del pistón.
El nitruro de silicio es el material principalmente utilizado para los componentes en motores de ultima tecnología, diesel y de turbina de gas. La gama de piezas de ceramica potencialmente útiles incluye componentes estructurales estáticos y los dinámicos como los rotores del turbo.
El primer uso comercial de la cerámica de nitruro de silicio para los usos motores de los automóviles estaba en los calentadores para reducir los tiempos de encendido del motor para los motores de diesel ligeros. Más recientemente, los calentadores de nitruro de silicio se han estado instalando en motores similares. Estos calentadores también reducen emisiones y ruidos del motor.
La ventaja principal es la baja densidad del material y por lo tanto un momento de baja inercia, que conduce a una respuesta más rápida del motor y una disminución del retraso del turbo.
Las levas del nitruro de silicio se han introducido en los motores diesel debido a su funcionamiento superior frente al desgaste. Una de las ventajas adicionales es la eliminación o reducción de la necesidad de lubricación forzada y de los costosos canales de lubricación.
La baja inercia de estos permite que el motor coja mayor velocidad hasta 1000 RPM.
También el uso de las válvulas de cerámica permite la posibilidad de aumentar la eficiencia del consumo de combustible reduciendo la carga del resorte.
El campo de los motores de turbina de gas es una tecnología en la cual el servicio de cerámica del nitruro de silicio se puede utilizar como material. Una de las características de este motor es la capacidad de funcionar a una temperatura de 1375 ºC y los únicos materiales de poder trabajar bajo esas condiciones son cerámicas de nitruro de silicio.
Fuentes
- Artículo: Cerámica estructural del Nitruro de Silicio. Publicado: 18 de julio de 2006. Disponible en: "www.textoscientificos.com". Consultado: 1 de julio de 2012.
- Datos: Nitruro de silicio (Si3N4). Disponible en: "www.goodfellow.com". Consultado: 1 de julio de 2012
- Artículo: Nitruro de silicio. Disponible en: "www.buenastareas.com". Consultado: 1 de julio de 2012.
- Artículo: Nitruro de silicio. Publicado: 3 de febrero de 2012. Disponible en: "claretcmc.blogspot.comm". Consultado: 1 de julio de 2012.
