Il nitruro di silicio è un materiale strutturale con eccellenti proprietà meccaniche, resistenza agli shock termici, resistenza all’ossidazione, resistenza alla diffusione di acqua e basso coefficiente di espansione termica. È il più stabile, da un punto di vista termodinamico, dei nitruri di silicio è ha formula Si3N4 e si presenta in tre strutture polimorfiche, denominate, rispettivamente α, β e γ.
La fase α a struttura trigonale e la fase β a struttura esagonale sono le forme più comuni del nitruro di silicio e si ottengono in condizioni di pressione normali mentre la fase γ, a struttura cubica, può essere sintetizzata solo a pressioni e temperature elevate.
La fase trigonale è chimicamente instabile e si trasforma nella struttura esagonale ad alte temperature, pertanto la maggior parte del nitruro di silicio viene utilizzata nella struttura esagonale.
Preparazione del nitruro di silicio
La preparazione del nitruro di silicio può avvenire secondo diverse vie sintetiche. La via più importante consiste nella riduzione carbotermica che prevede l’utilizzo di polveri fini di carbonio che agisce da riducente. La reazione tra biossido di silicio e carbonio, che avviene in presenza di un flusso di azoto, è:
3 SiO2(s) + 6 C(s) + 2 N2(g) → Si3N4(s) + 6 CO(g)
Tra i vantaggi di questa reazione vi è la scarsa formazione di prodotti collaterali e, in particolare, del carburo di silicio SiC, la facilità di esecuzione sebbene presenti lo svantaggio di una scarsa resa di nitruro di silicio in forma α che è utile come materiale di sinterizzazione.
Un’altra via sintetica prevede la reazione a partire silicio e azoto:
3 Si + 2 N2(g)→ Si3N4(s)
A causa del fatto che tale reazione è esotermica, si presentano problemi in quanto è necessario un apparato per controllare il calore generato. Inoltre, la polvere di nitruro di silicio risultante ha una granulometria grossolana.
Un altro metodo prevede la reazione in fase di vapore in cui il tetracloruro di silicio o il silano vengono fatti reagire con ammoniaca:
3 SiCl4 +4 NH3 → Si3N4+12 HCl
Tale metodologia è particolarmente indicata per rivestire la superficie di un elemento semiconduttore il quanto il nitruro di silicio è ottenibile in elevata purezza tuttavia richiede un trattamento per la rimozione del cloruro di idrogeno.
Proprietà
Ad alta temperatura, il nitruro di silicio mostra eccellenti proprietà meccaniche tra cui bassa densità, elevata resistenza alla flessione, elevato modulo elastico e tenacità alla frattura, elevata usura per abrasione, nonché resistenza all’erosione.
Il materiale mostra anche eccellenti proprietà termiche, con espansione e contrazione minime dovute alla temperatura e la capacità di resistere agli shock termici. Il nitruro di silicio ha un elevato grado di durezza pari a 8.5 nella scala di Mohs e possiede proprietà chimiche eccezionali, inclusa la stabilità contro la maggior parte degli acidi e delle basi, dei gas corrosivi e dei metalli liquidi.
Infatti è attaccato solo da acido fluoridrico diluito e da acido fosforico a caldo. Inoltre è un materiale a bassa densità paragonabile a quella dell’alluminio. La resistenza alla corrosione è attribuita principalmente alla formazione dello strato di ossido che causa la passivazione della superficie del materiale.
Le ceramiche al nitruro di silicio possono resistere all’allungamento e offrire eccezionali resistenze alla flessione, allo snervamento o alla rottura a sollecitazioni trasversali elevate. A causa della sua composizione chimica offre una conduttività termica altrettanto bassa rispetto ai metalli.
Usi
Grazie alle sue proprietà meccaniche, chimiche e fisiche è largamente utilizzato in molti campi.
L’applicazione attualmente predominante del nitruro di silicio è nell’industria automobilistica per parti di motori e unità accessorie, tra cui turbocompressori, candelette, valvole di controllo dei gas di scarico e pastiglie. In campo industriale è usato per applicazioni che richiedono un materiale con elevata tenacità alla frattura, resistenza e proprietà di bassa usura ed è quindi usato nei cuscinetti ad alte prestazioni, pale di turbine e candelette
È utilizzato come biomateriale ortopedico per promuovere la fusione ossea nella chirurgia spinale e per sviluppare cuscinetti in grado di migliorare l’usura e la longevità delle protesi articolari dell’anca e del ginocchio.
È usato per ottenere utensili da taglio, attrezzature per saldature, crogioli, guaine di protezione per termocoppie, elementi riscaldanti, come materiale ceramico per cuscinetti a rulli, per parti soggette ad usura altamente sollecitate, piastre scambiatrici di calore.
Storia
Il nitruro di silicio fu ottenuto per la prima volta dal chimico francese Henri Étienne Sainte-Claire Deville e dal chimico tedesco Friedrich Wöhler nel 1857 sebbene sia riscontrabile in natura. Tuttavia la sua presenza in rocce meteoritiche è stata scoperta solo negli anni ’90. Tuttavia rimase inutilizzato per quasi un secolo, fino agli anni ’50 quando gli interessi commerciali iniziarono ad aumentare e il materiale fu sviluppato in varie applicazioni.
I notevoli progressi compiuti nei processi di produzione tra gli anni ’70 e ’80 dello scorso secolo hanno ridotto i costi di produzione del composto e il nitruro di silicio si è rapidamente affermato in molte applicazioni industriali, in particolare come ceramica strutturale.
Fu sempre negli anni ’80 che iniziò uno sforzo globale per espandere l’uso del nitruro di silicio nei motori a combustione interna e nelle turbine a gas ad alta temperatura.
Nel corso degli anni, ulteriori miglioramenti alla sua sintesi, lavorazione e proprietà l’hanno portato a diventare una delle ceramiche maggiormente studiate e utilizzate. Ulteriori attività di ricerca e sviluppo negli anni ’80 hanno portato allo sviluppo di una serie di applicazioni industriali del materiale. Il nitruro di silicio ha attualmente un ruolo dominante nel campo delle ceramiche presentando una combinazione di eccellenti proprietà che non si trovano in altri tipi di ceramiche.