Nitruro De Silicio r4w3p

Nitruro de silicio Si3N4: Cerámico estructural en partes de motores Manuel Corredor1, Gabriela Medina2 y Tatiana Pinto3 Nanotecnologia, primer semestre de 2014. 1 grupo D1, 2grupoD1, 3grupoD2

Introducción El nitruro de silicio es un material cerámico que hace parte de las llamadas cerámicas avanzadas; materiales con características especiales como alta dureza, resistencia al choque térmico y a la abrasión, entre otras, que los hacen muy deseables para trabajos altamente específicos, como la elaboración de partes de motores. Aunque el nitruro de silicio no es un solo compuesto, sino más bien una familia de ellos, ya que su arreglo atómico y tamaño de grano pueden variar dependiendo del método de sintetización y elaboración; mostraremos la forma y algunos de los métodos más usados en la industria actualmente.

se prefiere granos por debajo del micrómetro. Las piezas acabadas pueden contener trazas de metales y aditivos de sinterización, además se busca que la porosidad del material sea mínima.

Síntesis y/o elaboración Uno de los métodos más utilizados para la preparación de polvos de es la nitruración directa, donde el polvo de reacciona con a temperaturas entre 1200 y 1400 °C durante tiempos de hasta 30 horas, en la presencia de un catalizador de hierro. La pureza del producto final puede verse afectada por la pureza de los materiales iniciales y la cantidad usada de catalizador. La reacción se da de la siguiente forma: (

)

El polvo de consiste en una mezcla de las fases α y β. Las cantidades que se forman de cada una de las fases son relativas, que se pueden obtener controlando la temperatura de reacción, la presión parcial del gas presente de en la atmósfera de la reacción, y la pureza del polvo de .

Figura 1. Estructura cristalina del Nitruro de Silicio1.

Descripción estructural El nitruro de silicio existe en dos conformaciones principales α y β, siendo la forma β la más utilizada (figura 1), por el mejor desempeño de sus propiedades físicas y químicas. Se trata de una estructura de tipo tetraédrica con 6 átomos de silicio y 8 de nitrógeno por celda. Tiene una forma hexagonal casi perfecta con ángulos de 90° y 120°, lados de 7.608 y 2.911 [Å]*. El tamaño de grano de su microestructura puede variar pero 1

Fuente: Creada con el software Crystal Maker versión demo.

Otro proceso usado en la industria para su elaboración es una reacción donde el tetracloruro de silicio reacciona con amoníaco líquido a bajas temperaturas. El compuesto del silicio se disuelve en un solvente aromático, como el tolueno, formando imida de silicio ( ) , en la interfaz entre el amoníaco líquido y la fase orgánica. La imida de silicio se separa y se convierte térmicamente al nitruro de silicio cristalino obteniendo así un polvo de pureza elevada. Para mejorar las propiedades del polvo de nitruro de silicio obtenido, ya que es un compuesto covalente, posteriormente se hace una sinterización para obtener una mayor densificación del producto. La composición y la cantidad de aditivos de la sinterización afectan a las características de la cerámica, que facilita la densificación, sin embargo se debe controlar su cantidad ya que pueden también afectar negativamente la

resistencia a la oxidación. Por lo tanto los aditivos de sinterización se intentan ajustar lo mejor posible. Se pueden utilizar diferentes métodos para la elaboración de la pieza final, que depende del uso posterior que se le dará. Para la creación de partes con formas simples, se puede utilizar el prensado isostático en seco o el proceso de sinterización ya mencionado que también es conocido como el prensado isostático en caliente. En la producción de formas más complejas se puede utilizar el moldeado por inyección, slip casting, o enlazado por reacción. Dependiendo del proceso escogido, el producto tendrá características que favorecerán o no algunas de sus características.

Propiedades Es uno de los materiales cerámicos con una combinación más útil de propiedades, que lo hacen conveniente para trabajos que requieran alta tensión mecánica a diferentes temperaturas, resistencia a la oxidación, al desgaste, la abrasión y al impacto térmico. La resistencia al impacto térmico es una de las propiedades que más sobresalen del nitruro de silicio, haciéndolo deseable en los componentes de motores, por los cambios bruscos de temperatura que se pueden dar de forma casi instantánea. Este comportamiento se le atribuye al bajo coeficiente de expansión térmica, la resistencia a la propagación de grietas y a una conductividad térmica alta; está ultima favorece la rápida eliminación del gradiente de temperatura. El gradiente de temperatura generado provoca contracciones en distintas áreas del material, que pueden causar fallas que se propaguen y generen una fractura. La microestructura es un factor fundamental y se debe controlar durante el procesamiento del material. Dependiendo de este, la pieza final tendrá una cierta densidad y grado de porosidad, a menor porcentaje de porosidad mejor será su conductividad térmica. Además de esto, los enlaces fuertes presentes entre los átomos de nitrógeno y silicio ayudan a que se presente un bajo coeficiente de expansión térmica, debido a que cuando se presente un gradiente de temperatura, el cambio en la distancia interatómica será pequeño (figura 2). Cabe resaltar que durante la fabricación se añaden algunos agentes externos que pueden afectar las propiedades del material.

Figura 2. Distancia de un enlace Si-N en la estructura cristalina del Si3N4 a a) 25°C. b) 700°C2

Referencias [1] Anónimo, “Cerámicas Avanzadas” [2] Donald R. Askelan, “Ciencia e ingeniería de los materiales”, tercera ed.,Thomson editores,1998. [3] Anónimo, “Capítulo 19 Propiedades térmicas”, Disponible en web: http://www.ehu.es/estibalizapinaniz/Materiales20122013/Propiedades_t%C3%A9rmicas.pdf, [Consulta: 8 de septiembre de 2014] [4] Anónimo, “Tema 10-Materias primas cerámicas”, Disponible en web: http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Tema3.MaterialesCE RAMICOS.MateriasPRIMAS.SintesisPolvosCeramicos. pdf [Consulta: 9 de septiembre de 2014]

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Fuente: Creada con el software Crystal Maker versión demo