Nitruro de silicio Si3N4: Cerámico estructural en partes de motores

Manuel Corredor1, Gabriela Medina

2 y Tatiana Pinto

3

Nanotecnologia, primer semestre de 2014. 1grupo 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.

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.

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 .

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/Materiales2012-

2013/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]

2 Fuente: Creada con el software Crystal Maker versión demo