El origen y desarrollo de la cerámica de nitruro de silicio
Snitruro de silicio (Si3N4)Es un compuesto covalente compuesto de silicio y nitrógeno, descubierto en 1857. En sus inicios, algunos estudiosos, especialmente en Alemania, no estaban completamente convencidos de su composición química. Sin embargo, una extensa investigación confirmó posteriormente la exactitud de esta fórmula química, que se cita ampliamente hasta el día de hoy. Sin embargo, durante más de un siglo después de su descubrimiento, los materiales de nitruro de silicio no tuvieron aplicaciones generalizadas.
La forma cerámica del nitruro de silicio.se desarrolló por primera vez en el Reino Unido. Este material cerámico se produjo por primera vez en 1955 y se utilizó principalmente para tubos de termopar, crisoles de metal fundido y boquillas de cohetes. Este tipo de material se produce presionando polvo de silicio metálico para darle forma y luego nitrurándolo calentándolo y exponiéndolo a gas nitrógeno, más tarde denominado nitruro de silicio unido por reacción. Debido a la presencia de alrededor del 25% de porosidad en el nitruro de silicio unido por reacción, carecía de la alta densidad necesaria para exhibir las propiedades superiores de resistencia y dureza de los materiales de nitruro de silicio.
En 1960, Parr, Martin, May y otros publicaron una revisión exhaustiva de las propiedades y la estructura del nitruro de silicio unido por reacción, describiendo las técnicas que desarrollaron. Estas técnicas proporcionaron un importante apoyo técnico para el desarrollo posterior de cerámicas de nitruro de silicio.
En la década de 1970, Estados Unidos inició un programa de desarrollo de materiales de nitruro de silicio a gran escala. El Departamento de Defensa de EE. UU. inició un proyecto de desarrollo de cinco años en colaboración con Ford Motor Company y Westinghouse Electric Corporation en 1971. El proyecto tenía como objetivo explorar la viabilidad del uso de nitruro de silicio como reemplazo de los materiales tradicionales para motores y desarrollar motores cerámicos de turbina de gas. . Al principio del proyecto, se reconoció que la sinterización a presión convencional se limitaba a producir formas simples de nitruro de silicio, mientras que los componentes de los motores de turbinas de gas eran complejos. Por tanto, la aplicación de materiales cerámicos en motores sólo sería posible si se mejorara el proceso de fabricación de cerámicas de nitruro de silicio.
En 1976, Terwilliger y Lange descubrieron accidentalmente que el polvo de nitruro de silicio podía sinterizarse sin aplicar presión mecánica. Realizaron experimentos de prensado en caliente con polvo de nitruro de silicio y magnesio dopado con oxígeno a temperaturas superiores a lo normal. Incluso sin presión convencional, los cilindros de polvo de nitruro de silicio todavía presentaban una contracción significativa. Se concluyó que en el espacio limitado del molde de grafito, se inhibía la pérdida por evaporación del nitruro de silicio, permitiendo la densificación general. Este descubrimiento marcó un paso importante en el desarrollo de cerámicas de nitruro de silicio de alta densidad y condujo al desarrollo del nitruro de silicio sinterizado sin presión.
Durante la sinterización a alta temperatura, la descomposición del nitruro de silicio es significativa y no puede suprimirse eficazmente mediante un simple empaquetamiento de polvo. Por lo tanto, se desarrolló la sinterización a presión de nitruro de silicio. En 1976, Mitomo de Japón informó sobre una investigación sobre la sinterización de cerámicas de Si3N4 bajo una presión de nitrógeno de 10 atm a temperaturas que oscilaban entre 1450°C y 1900°C. Este fue el primer método de sinterización a presión de cerámicas de nitruro de silicio.
Las diversas técnicas de sinterización mencionadas anteriormente son el resultado exitoso de los incansables esfuerzos de generaciones de investigadores cerámicos para abordar diferentes aplicaciones de ingeniería de las cerámicas de nitruro de silicio. Recientemente, tecnologías emergentes como la sinterización por plasma por chispa y la sinterización por microondas han abierto nuevas vías para la aplicación del nitruro de silicio.
En cuanto a las aplicaciones, ya sea en cohetes que vuelan al espacio o en coches que corren por las autopistas, o en herramientas de corte indestructibles y huesos artificiales robustos,cerámica de nitruro de siliciose han convertido en un material clave indispensable en la tecnología industrial, particularmente en campos de tecnología avanzada. Representa una de las principales direcciones en el desarrollo de la ciencia de materiales moderna.
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