Contemporáneas cerámicas con mayores cualidades mecánicas, térmicas y químicas son necesarias para la tecnología actual. Mientras tanto, las cerámicas de sialon y nitruro de silicio son duras, resistentes al desgaste y térmicamente estables. La combinación de nitruro de silicio y alúmina le da al sialon tenacidad a la fractura y resistencia a la oxidación. La baja expansión térmica del nitruro de silicio y su fuerte conductividad térmica son ideales para aplicaciones de alta temperatura. Los sectores aeroespacial, automotriz y electrónico utilizan tales cerámicas para mejores componentes de motores, herramientas de corte y equipos de procesamiento de semiconductores. Por lo tanto, aumentan el rendimiento y la durabilidad en entornos hostiles.
El silicio, el aluminio, el oxígeno y el nitrógeno forman las cerámicas de sialon, materiales sofisticados. Los sialones se fabrican reemplazando los átomos de silicio y nitrógeno en el nitruro de silicio (Si3N4) con aluminio y oxígeno. Esto mejora la tenacidad y la estabilidad térmica. Los sialones pueden clasificarse como alfa (α), beta (β) o de fase mixta. Los sialones alfa, un material monofásico con gran dureza y resistencia a la oxidación a altas temperaturas, se emplean en aplicaciones de desgaste severo.
Los beta-sialones son adecuados para herramientas de corte y componentes de desgaste gracias a su estructura de grano entrelazado, tenacidad a la fractura y resistencia al choque térmico. Los sialones de fase mixta equilibran dureza y tenacidad para aplicaciones de alta temperatura, combinando características alfa y beta.
Las cerámicas de nitruro de silicio de alto rendimiento (Si3N4) están basadas en silicio y nitrógeno. Estas cerámicas de nitruro de silicio se destacan por su alta resistencia, propiedades de tenacidad a la fractura, estabilidad térmica y resistencia a la oxidación. El nitruro de silicio se obtiene por unión por reacción, sinterización o prensado en caliente. La nitruración de compactos de polvo de silicio produce nitruro de silicio por unión por reacción (RBSN), poroso y resistente. El nitruro de silicio sinterizado (SSN) produce cerámicas densas con mayores características mecánicas para componentes de rodamientos y turbinas, mediante la sinterización con itria o alúmina. El nitruro de silicio prensado en caliente (HPSN) se fabrica aplicando calor y presión simultáneamente. Es una cerámica densa con una resistencia mecánica y conductividad térmica excepcionales para componentes de motores de alto rendimiento y sustratos electrónicos.
Los cuerpos verdes se densifican en una estructura resistente durante la sinterización de cerámica de nitruro de silicio (Si3N4). Para evitar la descomposición, la sinterización sin presión puede realizarse en nitrógeno a 1750°C-1850°C. La sinterización por presión de gas (GPD) aumenta la densificación aplicando presión de gas nitrógeno de hasta 10 MPa. Puede reducir las temperaturas de sinterización a 1700°C y alcanzar una densidad casi teórica. El prensado isostático en caliente (HIP) mejora las cualidades mecánicas combinando altas temperaturas (1600°C-1800°C) con presión de gas isostática (100-200 MPa). La temperatura, presión y ambiente de sinterización deben regularse para un mejor crecimiento de grano, resistencia mecánica y menor porosidad.
En la sinterización de cerámicas de sialon β′, hay paralelismos con el nitruro de silicio, pero también diferencias. Aunque ambos utilizan sinterización a alta temperatura, los sialones pueden necesitar Y2O3 y MgO para formar fases líquidas y aumentar la densificación. Los aditivos pueden disminuir la temperatura de sinterización a 1600°C-1750°C y generar una fase líquida transitoria. Esta disuelve y reprecipita los granos para un crecimiento microestructural homogéneo. El proceso de sinterización por disolución-difusión-reprecipitación afecta el tamaño y la forma de los granos. El control microestructural aumenta la tenacidad a la fractura y la resistencia al desgaste. Como resultado, los aditivos y los parámetros de sinterización son vitales para las cerámicas de sialon de alto rendimiento.
Aplicaciones Generales
La alta dureza, las propiedades de resistencia al desgaste y la estabilidad térmica hacen que las cerámicas de sialon y nitruro de silicio (Si3N4) sean ideales para herramientas de corte y abrasivos. Las cerámicas de sialon mantienen las herramientas de corte afiladas a altas velocidades y temperaturas. En consecuencia, minimizan la frecuencia de reemplazo de herramientas. El nitruro de silicio promueve la productividad en el mecanizado de alta velocidad de hierro fundido y acero duro. Las piezas de motores automotrices y los turbocompresores necesitan estas cerámicas. Su baja expansión térmica y su potente resistencia al choque térmico son duraderas en situaciones extremas. La alta resistencia al desgaste, el bajo coeficiente de fricción y la vida útil prolongada aumentan la durabilidad de los rodamientos y rodillos de equipos industriales, reduciendo los costos de mantenimiento.
Dada su resistencia al choque térmico y su resiliencia química, la cerámica de sialon y nitruro de silicio (Si3N4) puede manejar metales no ferrosos fundidos. En circunstancias adversas, estos materiales resisten la rotura ante fluctuaciones bruscas de temperatura. Las vainas de termopar cerámicas proporcionan control de proceso con mediciones de temperatura fiables. Los tubos ascendentes y los ejes de rotor fabricados de sialon o nitruro de silicio limitan la contaminación y preservan el manejo de metal fundido. Su baja mojabilidad por el metal fundido y su fuerte resistencia mecánica reducen el tiempo de espera en la colada y mejoran la eficiencia.
Las actividades de metales no ferrosos fundidos pueden enfrentar temperaturas superiores a 1000°C y metales reactivos muy corrosivos. Tales condiciones aceleran la degradación del grafito y la alúmina, provocando reemplazos frecuentes y una mayor indisponibilidad. Estos entornos también requieren materiales que soporten ciclos térmicos rápidos y reacciones químicas graves. Se necesitan materiales novedosos con mayor estabilidad térmica, resistencia a la corrosión y resistencia mecánica para la eficiencia y la vida útil de los componentes.
El sector de metales no ferrosos fundidos se beneficia de las cerámicas de sialon y nitruro de silicio. En particular, las cerámicas de sialon tienen una potente resistencia al choque térmico, una dureza de 17.37 ± 0.48 GPa y estabilidad química en situaciones extremas. Las cerámicas de nitruro de silicio son duraderas bajo tensión térmica gracias a sus bajos coeficientes de expansión térmica (3.27×10(-6) °C) y a sus buenas propiedades de tenacidad a la fractura. Estas cerámicas generan capas de oxinitruro de silicio que inhiben la oxidación, a diferencia del grafito, que se oxida a altas temperaturas. Esto hace que duren más y requieran menos mantenimiento que los materiales estándar.
Las vainas de termopar de nitruro de silicio protegen los sensores de temperatura en baños de metal fundido. Proporcionan lecturas precisas y prolongan la vida del sensor. Además, la resiliencia térmica y mecánica de las cerámicas de sialon ayuda a los tubos ascendentes. Son clave para la fundición a baja presión, manteniendo el rendimiento y la forma a altas temperaturas, reduciendo los defectos de fundición y aumentando la eficiencia de producción. Los ejes de rotor de nitruro de silicio en refinación de aluminio se enfrentan a metal fundido constante y fundentes corrosivos, y resisten la oxidación y el desgaste. Reducen los gastos de reparación y mejoran la fiabilidad del proceso.
Los avances más recientes en la sinterización de cerámicas de sialon y nitruro de silicio refinan aditivos y ayudas para mejorar las características del material. Los óxidos de tierras raras, incluidos la itria y la iterbia, promueven la densificación y la uniformidad microestructural. Favorecen el desarrollo de la fase de límite de grano y disminuyen la temperatura de sinterización para una mayor tenacidad a la fractura y estabilidad térmica. Las mejoras en la sinterización sin presión y la sinterización por plasma de chispa (SPS) proporcionan un control microestructural preciso. En consecuencia, puede culminar en tamaños de grano ultrafinos por debajo de 200 nm en cerámicas. Los períodos de sinterización más cortos reducen la formación de grano y mejoran la dureza y la resistencia al desgaste.
La cerámica de silicio y nitruro de silicio (si3n4) está entrando en usos biomédicos y electrónicos. La biocompatibilidad y las cualidades antibacterianas del nitruro de silicio lo convierten en un mejor implante biomédico para la fusión espinal y los implantes dentales. Debido a su alta conductividad térmica (hasta 85 W/m•K) y aislamiento eléctrico, estas cerámicas se emplean para componentes de alta frecuencia y alta temperatura en electrónica. Su resistencia al choque térmico y al desgaste mecánico fortalece el futuro y el rendimiento de los componentes en álabes de turbina de alta eficiencia y sustratos de células solares, que la industria de energías renovables está investigando. Su adaptabilidad los convierte en candidatos atractivos para roles importantes en tecnología radical. Por lo tanto, predice un progreso importante en estas aplicaciones creativas.
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