Nitruro de silicio

Características y aplicaciones de la cerámica estructural del Nitruro de Silicio

Características
Las características de la cerámica estructural del nitruro de silicio se dan en la Tabla 2. Estos valores representan los materiales disponibles testeados. Sin embargo, la metodología de la prueba y la calidad de los especimenes, particularmente su acabado superficial, pueden afectar a los valoresmedidos.

Modo de densificación del material
Propiedad Enlazado
por reacción Sinterizado Prensado
en caliente prensado
isostático
Densidad, kg/m3 2.5 3.26 3.23 3.2
Modulo de elasticidad, GPa 180 300 310 310
Dureza, kg/mm2 1350 1370 1620 1800
Resistencia a la torsión, MPa a temperatura ambiente 340 700 900 700
1000ºC 600 610
1200ºC 480 570
1370ºC 210 580 310
Resistencia a lafractura MPa√m 3-4 4.6 4.7-5.5 4.9
Coeficiente de expansión térmica, x10-6/ºC 3 3.9 3.9 3.5
Coeficiente de conductividad térmica,W/(mK) a 25ºC 12 32 38 32

Según lo observado, la resistencia a la oxidación de la cerámica del nitruro de silicio depende del tipo y de la concentración de los aditivos de sinterización. En los materiales diseñados para los usos a alta temperatura el aumentoespecífico del peso resultado de la oxidación sobre una exposición al aire durante 500 horas a 1200 ºC y 1350 ºC es cerca de 1-2 g/m2 y 2-4 g/m2, respectivamente. La cinética del proceso de la oxidación se ha investigado como que presenta resistencia a la corrosión. La resistencia a la corrosión es también dependiente de la formulación y de la densidad de los materiales.
Aplicaciones
El nitruro desilicio es el material principalmente utilizado para los componentes en motores de ultima tecnología, diesel, y de turbina gas. La gama de piezas de cerámica potencialmente útiles incluye componentes estructurales estáticos y los dinámicos tales como rotores del turbo, rotores de turbina del generador de gas, válvulas, guías de la válvula, asientos de válvula, componentes del pistón, levas,acoplamientos del inyector de combustible, y cojinetes.
El primer uso comercial de la cerámica de nitruro de silicio para los usos motores de automóviles estaba en los calentadores para reducir los tiempos de encendido del motor para los motores diesel ligeros. Más recientemente, los calentadores de Si3N4 se han estado instalados en motores similares. Estos calentadores también reducen emisiones y ruidodel motor. La ventaja principal es la baja densidad del material y por lo tanto un momento más bajo de inercia, que conducen a una respuesta más rápida del motor y a una disminución del retraso del turbo. Las levas de nitruro de silicio se han introducido en los motores diesel debido a su funcionamiento superior frente al desgaste; una ventaja adicional es una reducción o una eliminación de lanecesidad de la lubricación forzada y de los costosos canales de lubricación. Los acoplamientos de cerámica del inyector de combustible se han incorporando en los motores diesel, también debido a la resistencia superior al desgaste.
La inercia más baja de las válvulas de nitruro de silicio permite a la leva realizar mas óptimamente el movimiento de la válvula dando por resultado una operación másestable que puede aumentar la velocidad del motor hasta 1000 RPM. Esta ventaja es utilizada con eficacia en motores de competición lo cual permite superar a los motores estándares en muchas competiciones. En usos convencionales, el uso de válvulas cerámicas ofrece la posibilidad de aumentar la eficiencia del consumo de combustible reduciendo la carga del resorte dando por resultado un esfuerzo detorsión más baja del árbol de levas.
El campo de los motores de turbina de gas es una tecnología en la cual servicio de la cerámica del nitruro de silicio se puede utilizar como materiales. Una de las características comunes es que el motor está pensado para funcionar a una temperatura de la entrada del gas de 1375 ºC. Los únicos materiales convenientes para los componentes que pueden trabajar...