Perché il nitruro di silicio sta sostituendo l'acciaio nell'ingegneria ad alte prestazioni- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

Proprietà principali del nitruro di silicio (Si3N4)

Nitruro di silicio è una ceramica tecnica ad alte prestazioni caratterizzata dalla sua combinazione unica di proprietà termiche, meccaniche ed elettriche. A differenza di molte altre ceramiche fragili sotto stress termico, il nitruro di silicio vanta un coefficiente di dilatazione termica molto basso ed un'elevata tenacità alla frattura. Ciò lo rende eccezionalmente resistente agli shock termici, permettendogli di sopportare rapide fluttuazioni di temperatura senza rompersi. Chimicamente, è composto da silicio e azoto disposti in una struttura di legame covalente, che si traduce in un materiale duro quasi quanto il diamante pur rimanendo significativamente più leggero delle leghe di acciaio ad alta resistenza.

Caratteristiche fisiche e termiche

Proprietà	Valore tipico
Densità	3,2 - 3,5 g/cm³
Durezza (Vickers)	1400 - 1600 alta tensione
Conducibilità termica	20 - 30 W/m·K
Temp. operativa massima	Fino a 1200°C

Processi di produzione e qualità dei materiali

Le prestazioni del nitruro di silicio dipendono fortemente dal metodo utilizzato per sintetizzare e densificare la polvere. Poiché il materiale non si scioglie, deve essere formato mediante processi di sinterizzazione. Il nitruro di silicio legato a reazione (RBSN) viene creato nitrurando una polvere di silicio compatta, con conseguente eccellente stabilità dimensionale ma maggiore porosità. Al contrario, il nitruro di silicio sinterizzato pressato a gas (GPSSN) e il nitruro di silicio pressato a caldo (HPSN) utilizzano alta pressione e temperatura per raggiungere una densità quasi teorica, offrendo la massima resistenza meccanica per applicazioni aerospaziali e automobilistiche impegnative.

Nitruro di silicio sinterizzato (SSN): utilizza additivi per facilitare la densificazione ad alte temperature.
Pressato isostatico a caldo (HIP-SN): elimina i microvuoti interni per la massima resistenza alla fatica.
Reaction Bonded (RBSN): ideale per forme complesse dove sono richieste tolleranze strette senza lavorazione.

Applicazioni industriali e vantaggi ingegneristici

Nei settori automobilistico e aerospaziale, il nitruro di silicio è lo standard di riferimento per i componenti dei cuscinetti ad alta velocità. I cuscinetti a sfere in ceramica realizzati in Si3N4 sono il 40% più leggeri dell'acciaio, producono meno attrito e possono funzionare senza lubrificazione per brevi periodi, il che è fondamentale per gli scenari di emergenza nei motori a reazione. Inoltre, le sue proprietà non magnetiche ed elettricamente isolanti lo rendono ideale per l'uso in apparecchiature per la produzione di semiconduttori e impianti medici, dove è necessario evitare interferenze con la risonanza magnetica (MRI) o i circuiti elettrici.

Vantaggi principali in ambienti estremi

Resistenza alla corrosione: impermeabile alla maggior parte degli acidi e delle soluzioni alcaline a temperatura ambiente.
Resistenza all'usura: longevità superiore in ambienti abrasivi rispetto al carburo di tungsteno.
Elevata rigidità: fornisce un'eccellente rigidità strutturale con un modulo di Young di circa 310 GPa.

Considerazioni sulla progettazione per componenti in nitruro di silicio

Quando si progetta con il nitruro di silicio, gli ingegneri devono tenere conto della mancanza di duttilità del materiale. Sebbene sia incredibilmente forte nella compressione, è sensibile al carico puntuale e alla tensione. Per massimizzare la durata delle parti in ceramica, è essenziale evitare angoli interni acuti e utilizzare raggi generosi per distribuire le sollecitazioni. Inoltre, poiché il nitruro di silicio è difficile da lavorare dopo la sinterizzazione, i componenti devono essere progettati il più vicino possibile alla "forma netta" o rettificati utilizzando utensili con punta di diamante per ottenere le tolleranze finali. Una corretta integrazione spesso comporta l'uso di materiali termoretraibili o adesivi specializzati per fissare la ceramica agli alloggiamenti in metallo.