Il nitruro di silicio, con formula Si3N4, è un materiale strutturale con notevoli proprietà che lo rendono particolarmente adatto per diverse applicazioni. Presenta una stabilità termodinamica superiore rispetto ad altri nitruri di silicio ed esiste in tre diverse strutture polimorfiche: α, β e γ.
Le fasi α e β sono le forme più comuni del nitruro di silicio, ottenute a pressione normale, mentre la fase γ richiede condizioni di pressione e temperatura elevate. La fase trigonale si trasforma in fase esagonale a temperature elevate, rendendo la forma esagonale la più comune per l’utilizzo pratico.
Indice Articolo
Preparazione del nitruro di silicio
Una delle principali vie di sintesi del nitruro di silicio è la riduzione carbotermica, che coinvolge la reazione tra biossido di silicio, carbonio e azoto. Questo metodo è vantaggioso per la bassa formazione di prodotti collaterali, anche se la resa di nitruro di silicio in forma α, utile per la sinterizzazione, può essere limitata.
Un altro metodo sintetico coinvolge la reazione diretta tra silicio e azoto, sebbene la reazione esotermica presenti sfide legate al controllo del calore generato e alla dimensione della polvere prodotta.
Un terzo approccio prevede la reazione in fase vapore tra tetracloruro di silicio o silano e ammoniaca. Questo metodo è indicato per ottenere nitruro di silicio ad alta purezza ma richiede una successiva rimozione del cloruro di idrogeno.
Proprietà
Il nitruro di silicio mostra eccellenti proprietà meccaniche ad alte temperature, inclusa bassa densità, elevata resistenza alla flessione, elevato modulo elastico, tenacità alla frattura, resistenza all’usura e all’erosione. Presenta inoltre un’elevata resistenza agli shock termici, bassa espansione termica e durezza pari a 8.5 nella scala di Mohs. Queste caratteristiche lo rendono un materiale versatile e durevole per varie applicazioni industriale.Nitruro di silicio: proprietà eccezionali e campi d’uso
Il nitruro di silicio è un materiale con proprietà chimiche eccezionali, notevole per la sua stabilità contro la maggior parte degli acidi, basi, gas corrosivi e metalli liquidi. Si noti che è attaccato solo da acido fluoridrico diluito e acido fosforico a caldo. Questo materiale ha una bassa densità, paragonabile a quella dell’alluminio, e la sua resistenza alla corrosione è dovuta alla formazione di uno strato di ossido che induce la passivazione della superficie.
Proprietà meccaniche e usi del nitruro di silicio
Le ceramiche al nitruro di silicio hanno la capacità di resistere all’allungamento e offrono eccezionali resistenze alla flessione, allo snervamento e alla rottura a sollecitazioni trasversali elevate. La composizione chimica del nitruro di silicio conferisce al materiale una conduttività termica bassa, simile a quella dei metalli.
Usi del nitruro di silicio
Grazie alle sue proprietà meccaniche, chimiche e fisiche, il nitruro di silicio è ampiamente impiegato in diversi settori. Nel settore automobilistico, è utilizzato per parti dei motori e delle unità accessorie, come turbocompressori, candelette e valvole di controllo dei gas di scarico. In campo industriale, trova impiego in applicazioni che richiedono elevata tenacità alla frattura, resistenza e bassa usura, come cuscinetti ad alte prestazioni, pale di turbine e candelette.
Il nitruro di silicio viene impiegato anche come biomateriale ortopedico per favorire la fusione ossea nella chirurgia spinale e per la produzione di cuscinetti che migliorano l’usura e la longevità delle protesi articolari dell’anca e del ginocchio. Altri utilizzi includono la fabbricazione di utensili da taglio, attrezzature per saldature, crogioli e guaine di protezione per termocoppie.
Storia del nitruro di silicio
Il nitruro di silicio è stato sintetizzato per la prima volta nel 1857 dai chimici Henri Étienne Sainte-Claire Deville e Friedrich Wöhler. Sebbene presente in natura, la sua presenza in rocce meteoritiche è stata scoperta solo negli anni ’90. Dopo quasi un secolo di inattività, negli anni ’50 l’interesse commerciale sul materiale è cresciuto, portando allo sviluppo di varie applicazioni.
Durante gli anni ’70 e ’80, i progressi nei processi di produzione hanno ridotto i costi e aumentato l’uso del nitruro di silicio come ceramica strutturale. Negli stessi anni, iniziò un grande sforzo globale per espandere l’uso del materiale nei motori a combustione interna e nelle turbine a gas ad alta temperatura.
Grazie a ulteriori miglioramenti nella sintesi, lavorazione e proprietà, il nitruro di silicio è diventato una delle ceramiche più utilizzate e studiate. Attualmente, il nitruro di silicio gioca un ruolo predominante nel settore delle ceramiche per le sue straordinarie proprietà che lo distinguono dagli altri materiali ceramici.
