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 valores medidos.
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 la fractura 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 |
Tabla 2. Características de la cerámica del nitruro de silicio
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 aumento específico 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 de silicio 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 ruido del 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 la necesidad 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 más estable 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 de torsión 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 bajo estas condiciones son cerámicas de nitruro de silicio.
En otros usos, los cojinetes del nitruro de silicio se han encontrado que ofrecen un funcionamiento excelente; los rellenos de la herramienta de corte del nitruro de silicio son un producto comercial; usar las partes tales como inyectores de chorro de arena, sellos, y los trazadores de líneas del dado también se producen comercialmente; el funcionamiento superior de los intercambiadores de calor se ha demostrado y hay también usos militares.