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Le ceramiche contemporanee con maggiori qualità meccaniche, termiche e chimiche sono necessarie per la tecnologia odierna. Le ceramiche a base di sialon e nitruro di silicio sono dure, resistenti all'usura e termicamente stabili. La combinazione di nitruro di silicio e allumina conferisce al sialon tenacità alla frattura e resistenza all'ossidazione. La bassa espansione termica e la forte conducibilità termica del nitruro di silicio sono ideali per le applicazioni ad alta temperatura. I settori aerospaziale, automobilistico ed elettronico utilizzano queste ceramiche per migliorare i componenti dei motori, gli utensili da taglio e le apparecchiature per la lavorazione dei semiconduttori. Pertanto, aumentano le prestazioni e la durata in ambienti ostili.
Silicio, alluminio, ossigeno e azoto rendono la ceramica sialonica un materiale sofisticato. I sialon sono prodotti sostituendo gli atomi di silicio e azoto nel nitruro di silicio (Si3N4) con alluminio e ossigeno. Migliorano la tenacità e la stabilità termica. I sialoni possono essere classificati come alfa (α), beta (β) o a fase mista. I sialoni alfa, un materiale monofase con una grande durezza e resistenza all'ossidazione ad alte temperature, sono utilizzati in applicazioni soggette a forte usura.
I sialoni beta sono adatti agli utensili da taglio e ai componenti soggetti a usura grazie alla loro struttura a grani intrecciati, alla tenacità alla frattura e alla resistenza agli shock termici. I sialoni in fase mista bilanciano durezza e tenacità per applicazioni ad alta temperatura, combinando le caratteristiche alfa e beta.
Le ceramiche al nitruro di silicio ad alte prestazioni (Si3N4) sono a base di silicio e azoto. Queste ceramiche al nitruro di silicio si distinguono per l'elevata resistenza, la tenacità alla frattura, la stabilità termica e la resistenza all'ossidazione. Il nitruro di silicio viene legato per reazione, sinterizzato o pressato a caldo. La polvere di silicio per nitrurazione si compatta in nitruro di silicio poroso e resistente legato per reazione (RBSN). Il nitruro di silicio sinterizzato (SSN) produce ceramiche dense con caratteristiche meccaniche superiori per i componenti di cuscinetti e turbine, sinterizzando l'ittrio o l'allumina. Il nitruro di silicio pressato a caldo (HPSN) viene prodotto applicando contemporaneamente calore e pressione. Si tratta di una ceramica densa con una resistenza meccanica e una conducibilità termica fuori dal comune per componenti di motori ad alte prestazioni e substrati elettronici.
I corpi verdi vengono densificati in una struttura resistente durante la sinterizzazione della ceramica al nitruro di silicio (Si3N4). Per evitare la decomposizione, la sinterizzazione senza pressione può avvenire in azoto a 1750°C-1850°C. La sinterizzazione a pressione di gas (GPD) aumenta la densificazione applicando una pressione di gas azoto fino a 10 MPa. Può abbassare le temperature di sinterizzazione a 1700°C e raggiungere una densità vicina a quella teorica. La pressatura isostatica a caldo (HIP) aumenta le qualità meccaniche combinando alte temperature (1600°C-1800°C) con una pressione isostatica del gas (100-200 MPa). La temperatura, la pressione e l'ambiente di sinterizzazione devono essere regolati per ottenere una migliore crescita dei grani, una maggiore resistenza meccanica e una minore porosità.
Nella sinterizzazione delle ceramiche β′-sialon, ci sono paralleli con il nitruro di silicio ma anche differenze. Sebbene entrambi utilizzino la sinterizzazione ad alta temperatura, i sialoni potrebbero necessitare di Y2O3 e MgO per formare fasi liquide e aumentare la densificazione. Gli additivi possono diminuire la temperatura di sinterizzazione a 1600°C-1750°C e generare una fase liquida transitoria. Questa dissolve e riprecipita i grani per una crescita omogenea della microstruttura. Il processo di sinterizzazione per dissoluzione-diffusione-ripetizione influenza la dimensione e la forma dei grani. Il controllo microstrutturale aumenta la tenacità alla frattura e la resistenza all'usura. Di conseguenza, rende gli additivi e le impostazioni di sinterizzazione vitali per le ceramiche sialon ad alte prestazioni.
Applicazioni generali
L'elevata durezza, le proprietà di resistenza all'usura e la stabilità termica rendono le ceramiche di sialon e nitruro di silicio (Si3n4) ideali per utensili da taglio e abrasivi. Le ceramiche Sialon mantengono gli utensili da taglio affilati a velocità e temperature elevate. Di conseguenza, riduce al minimo la frequenza di sostituzione degli utensili. Il nitruro di silicio favorisce la produttività nella lavorazione ad alta velocità di ghisa e acciaio duro. I componenti dei motori automobilistici e i turbocompressori necessitano di queste ceramiche. La sua bassa espansione termica e la potente resistenza agli shock termici sono durevoli in situazioni brutali. L'elevata resistenza all'usura, il basso attrito e la maggiore durata aumentano i cuscinetti e i rulli delle apparecchiature industriali, riducendo le spese di manutenzione.
Grazie alla loro resistenza agli shock termici e agli agenti chimici, il sialon e la ceramica al nitruro di silicio (Si3N4) possono gestire metalli non ferrosi fusi. In circostanze avverse, questi materiali resistono alla rottura dovuta a brusche fluttuazioni di temperatura. Le guaine delle termocoppie in ceramica garantiscono il controllo del processo con misurazioni affidabili della temperatura. I tubi di rialzo e gli alberi dei rotori in sialon o nitruro di silicio limitano la contaminazione e preservano la manipolazione del metallo fuso. La loro bassa bagnabilità del metallo fuso e la forte resistenza meccanica riducono i tempi di fusione e migliorano l'efficienza.
Le attività non ferrose fuse possono affrontare temperature superiori a 1000°C e metalli reattivi molto corrosivi. Queste condizioni accelerano la degradazione della grafite e dell'allumina, richiedendo frequenti sostituzioni e una maggiore indisponibilità. Questi contesti necessitano anche di materiali in grado di sopportare rapidi cicli termici e gravi reazioni chimiche. Per garantire l'efficienza e la durata dei componenti sono necessari nuovi materiali con maggiore stabilità termica, resistenza alla corrosione e forza meccanica.
Il settore dei non ferrosi fusi trae vantaggio dalle ceramiche al sialon e al nitruro di silicio. In particolare, le ceramiche di sialon hanno una forte resistenza agli shock termici, 17.37 ± 0.48 GPa e stabilità chimica in situazioni estreme. Le ceramiche al nitruro di silicio sono resistenti alle sollecitazioni termiche grazie ai loro bassi coefficienti di espansione termica (3.27×10(-6) °C) e alle buone proprietà di tenacità alla frattura. Queste ceramiche generano strati di ossinitruro di silicio che inibiscono l'ossidazione, a differenza della grafite, che si ossida ad alte temperature. Questo li fa durare più a lungo e richiede meno cure rispetto ai materiali standard.
Le guaine per termocoppie in nitruro di silicio proteggono i sensori di temperatura nei bagni di metallo fuso. Garantiscono letture accurate e durata del sensore. Inoltre, la resilienza termica e meccanica della ceramica sialon aiuta i tubi di risalita. Sono fondamentali per la pressofusione a bassa pressione, in quanto mantengono le prestazioni e la forma ad alte temperature, riducono gli errori di fusione e aumentano l'efficienza produttiva. Gli alberi dei rotori in nitruro di silicio nella raffinazione dell'alluminio devono confrontarsi con metallo fuso costante e flussi corrosivi e resistono all'ossidazione e all'usura. Riducono le spese di riparazione e migliorano l'affidabilità del processo.
I più recenti progressi nella sinterizzazione delle ceramiche a base di sialon e nitruro di silicio perfezionano gli additivi e i coadiuvanti per migliorare le caratteristiche del materiale. Gli ossidi di terre rare, tra cui l'ittrio e l'itterbia, favoriscono la densificazione e l'uniformità microstrutturale. Promuovono lo sviluppo delle fasi di confine dei grani e riducono la temperatura di sinterizzazione per una maggiore tenacità alla frattura e stabilità termica. I miglioramenti nella sinterizzazione senza pressione e nella sinterizzazione al plasma di scintilla (SPS) forniscono un controllo microstrutturale preciso. Successivamente, può culminare in grani ultra-fini di dimensioni inferiori a 200 nm nelle ceramiche. Periodi di sinterizzazione più brevi riducono la formazione di grani e migliorano la durezza e la resistenza all'usura.
Il silicio e la ceramica di nitruro di silicio (si3n4) stanno entrando negli usi biomedici ed elettronici. La biocompatibilità e le qualità antibatteriche del nitruro di silicio lo rendono un impianto biomedico migliore per la fusione spinale e gli impianti dentali. Grazie alla loro elevata conducibilità termica (fino a 85 W/m-K) e dell'isolamento elettrico, queste ceramiche sono utilizzate per i componenti elettronici ad alta frequenza e ad alta temperatura. La loro resistenza agli shock termici e all'usura meccanica rafforza il futuro e le prestazioni dei componenti nelle pale delle turbine ad alta efficienza e nei substrati delle celle solari, che l'industria delle energie rinnovabili sta studiando. La loro adattabilità li rende candidati interessanti per ruoli importanti nella tecnologia radicale. Si prevedono quindi importanti progressi in queste applicazioni creative.
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