Contemporâneas cerâmicas com maiores qualidades mecânicas, térmicas e químicas são necessárias para a tecnologia atual. Enquanto isso, as cerâmicas de sialon e nitreto de silício são duras, resistentes ao desgaste e termicamente estáveis. A combinação de nitreto de silício e alumina confere ao sialon tenacidade à fratura e resistência à oxidação. A baixa expansão térmica e a alta condutividade térmica do nitreto de silício são ideais para aplicações em altas temperaturas. Os setores aeroespacial, automotivo e eletrônico utilizam essas cerâmicas para melhores componentes de motores, ferramentas de corte e equipamentos de processamento de semicondutores. Portanto, elas aumentam o desempenho e a durabilidade em ambientes hostis.
Silício, alumínio, oxigênio e nitrogênio formam as cerâmicas de sialon, materiais sofisticados. Os sialons são produzidos substituindo átomos de silício e nitrogênio no nitreto de silício (Si3N4) por alumínio e oxigênio. Isso melhora a tenacidade e a estabilidade térmica. Os sialons podem ser classificados como alfa (α), beta (β) ou de fase mista. Os sialons alfa, um material de fase única com grande dureza e resistência à oxidação em altas temperaturas, são empregados em aplicações de desgaste severo.
Sialons beta são adequados para ferramentas de corte e componentes de desgaste graças à sua estrutura de grãos interligados, tenacidade à fratura e resistência ao choque térmico. Sialons de fase mista equilibram dureza e tenacidade para aplicações em alta temperatura, combinando características alfa e beta.
As cerâmicas de nitreto de silício de alto desempenho (Si3N4) são à base de silício e nitrogênio. Essas cerâmicas de nitreto de silício são notáveis por sua alta resistência, propriedades de tenacidade à fratura, estabilidade térmica e resistência à oxidação. O nitreto de silício é ligado por reação, sinterizado ou prensado a quente. A nitretação de compactos de pó de silício produz nitreto de silício ligado por reação (RBSN), poroso e resistente. O nitreto de silício sinterizado (SSN) produz cerâmicas densas com características mecânicas superiores para componentes de rolamentos e turbinas, com sinterização de ítria ou alumina. O nitreto de silício prensado a quente (HPSN) é fabricado com aplicação simultânea de calor e pressão. É uma cerâmica densa com resistência mecânica e condutividade térmica incomuns para componentes de motores de alto desempenho e substratos eletrônicos.
Os corpos verdes são densificados em uma estrutura resistente durante a sinterização de cerâmica de nitreto de silício (Si3N4). Para evitar a decomposição, a sinterização sem pressão pode ocorrer em nitrogênio a 1750°C-1850°C. A sinterização por pressão de gás (GPD) aumenta a densificação aplicando pressão de gás nitrogênio de até 10 MPa. Ela pode reduzir as temperaturas de sinterização para 1700°C e atingir densidade quase teórica. A prensagem isostática a quente (HIP) aumenta as qualidades mecânicas combinando altas temperaturas (1600°C-1800°C) com pressão de gás isostática (100-200 MPa). A temperatura, a pressão e o ambiente de sinterização devem ser regulados para melhor crescimento de grão, resistência mecânica e menor porosidade.
Na sinterização de cerâmicas de β′-sialon, existem paralelos com o nitreto de silício, mas também diferenças. Embora ambos utilizem sinterização em alta temperatura, os sialons podem precisar de Y2O3 e MgO para formar fases líquidas e aumentar a densificação. Os aditivos podem diminuir a temperatura de sinterização para 1600°C-1750°C e gerar uma fase líquida transitória. Ela dissolve e reprecipita os grãos para um crescimento microestrutural homogêneo. O processo de sinterização por dissolução-difusão-reprecipitação afeta o tamanho e a forma dos grãos. O controle microestrutural aumenta a tenacidade à fratura e a resistência ao desgaste. Como resultado, torna os aditivos e as configurações de sinterização vitais para cerâmicas de sialon de alto desempenho.
Aplicações Gerais
Alta dureza, propriedades de resistência ao desgaste e estabilidade de temperatura tornam as cerâmicas de sialon e nitreto de silício (Si3N4) ideais para ferramentas de corte e abrasivos. As cerâmicas de sialon mantêm as ferramentas de corte afiadas em altas velocidades e temperaturas. Consequentemente, minimiza a frequência de substituição de ferramentas. O nitreto de silício promove produtividade na usinagem de ferro fundido e aço duro em alta velocidade. Peças de motores automotivos e turbocompressores necessitam dessas cerâmicas. Sua baixa expansão térmica e potente resistência ao choque térmico são duráveis em situações brutais. Alta resistência ao desgaste, baixo atrito e vida útil prolongada aumentam os rolamentos e rolos de equipamentos industriais para menores despesas de manutenção.
Devido à sua resistência ao choque térmico e resiliência química, a cerâmica de sialon e nitreto de silício (Si3N4) pode lidar com metais não ferrosos fundidos. Em circunstâncias adversas, esses materiais resistem à quebra devido a flutuações abruptas de temperatura. As bainhas de termopar de cerâmica fornecem controle de processo com medições de temperatura confiáveis. Tubos de alimentação e eixos de rotor feitos de sialon ou nitreto de silício limitam a contaminação e preservam o manuseio de metal fundido. Sua baixa molhabilidade por metal fundido e forte resistência mecânica diminuem o tempo de fundição e aumentam a eficiência.
Atividades com metais não ferrosos fundidos podem enfrentar temperaturas acima de 1000°C e metais reativos muito corrosivos. Tais condições aceleram a degradação de grafite e alumina, provocando substituições frequentes e maior indisponibilidade. Esses ambientes também exigem materiais que suportem ciclos térmicos rápidos e reações químicas severas. Novos materiais com maior estabilidade térmica, resistência à corrosão e resistência mecânica são necessários para a eficiência e vida útil dos componentes.
O setor de metais não ferrosos fundidos beneficia-se das cerâmicas de sialon e nitreto de silício. Em particular, as cerâmicas de sialon possuem potente resistência ao choque térmico, dureza de 17,37 ± 0,48 GPa e estabilidade química em situações extremas. As cerâmicas de nitreto de silício são duráveis sob tensão térmica graças aos seus baixos coeficientes de expansão térmica (3,27×10(-6) °C) e boas propriedades de tenacidade à fratura. Essas cerâmicas geram camadas de oxinitreto de silício que inibem a oxidação, ao contrário do grafite, que oxida em altas temperaturas. Isso faz com que durem mais e exijam menos manutenção do que os materiais padrão.
As bainhas de termopar de nitreto de silício protegem os sensores de temperatura em banhos de metal fundido. Elas fornecem leituras precisas e prolongam a vida útil dos sensores. Além disso, a resiliência térmica e mecânica das cerâmicas de sialon ajuda nos tubos de ascensão. Eles são essenciais para a fundição sob baixa pressão, mantendo o desempenho e a forma em altas temperaturas, reduzindo defeitos de fundição e aumentando a eficiência de produção. Os eixos de rotor de nitreto de silício no refino de alumínio são confrontados com metal fundido constante e fluxos corrosivos e resistem à oxidação e ao desgaste. Eles reduzem as despesas de reparo e melhoram a confiabilidade do processo.
Os avanços mais recentes na sinterização de cerâmicas de sialon e nitreto de silício refinam aditivos e auxiliares para melhores características do material. Óxidos de terras raras, incluindo ítria e itérbia, promovem densificação e uniformidade microestrutural. Eles promovem o desenvolvimento da fase de contorno de grão e diminuem a temperatura de sinterização para maior tenacidade à fratura e estabilidade térmica. Melhorias na sinterização sem pressão e na sinterização por plasma de faísca (SPS) proporcionam controle microestrutural preciso. Consequentemente, isso pode culminar em tamanhos de grão ultrafinos abaixo de 200 nm em cerâmicas. Períodos de sinterização mais curtos reduzem a formação de grãos e aumentam a dureza e a resistência ao desgaste.
As cerâmicas de silício e nitreto de silício (si3n4) estão entrando em aplicações biomédicas e eletrônicas. A biocompatibilidade e as qualidades antibacterianas do nitreto de silício o tornam um melhor implante biomédico para fusão espinhal e implantes dentários. Devido à sua alta condutividade térmica (até 85 W/m•K) e isolamento elétrico, tais cerâmicas são empregadas para componentes de alta frequência e alta temperatura em eletrônicos. Sua resistência ao choque térmico e ao desgaste mecânico fortalece o futuro e o desempenho dos componentes em pás de turbinas de alta eficiência e substratos de células solares, que a indústria de energia renovável está investigando. Sua adaptabilidade as torna candidatas atraentes para papéis importantes em tecnologia radical. Portanto, prevê-se um grande progresso nessas aplicações criativas.
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