Applications des céramiques de nitrure de silicium avec différents procédés de frittage
Actuellement,céramique de nitrure de siliciumutilisés dans divers domaines sont principalement préparés par frittage par réaction, frittage par pressage à chaud, frittage sans pression, frittage sous pression de gaz et frittage par pressage isostatique à chaud. Différents procédés de frittage donnent des céramiques de nitrure de silicium présentant certaines différences de performances, généralement appliquées dans différents composants structurels à haute température, composants résistants à l'usure ou composants résistants à la corrosion.
1. Méthode de frittage par réaction
Le frittage réactionnel implique la réaction chimique entre les phases solide, liquide et gazeuse des corps compacts de matières premières à une certaine température, entraînant une densification et la synthèse de compositions spécifiées pour obtenir le corps fritté souhaité.
Dans ce processus, la poudre de silicium de haute pureté est mélangée à un liant, façonnée, puis soumise à une atmosphère de N2 ou immergée dans du silicium fondu, permettant au silicium ou à l'azote gazeux ou au silicium fondu présent dans le corps de réagir et de produire des produits en nitrure de silicium. . Les céramiques de nitrure de silicium produites par frittage réactionnel sont courantes dans le domaine des matériaux réfractaires, principalement utilisées pourfabrication de tubes de protection pour thermocouples, de creusets pour la fusion des métaux et de tuyères de fusée.
2. Méthode de frittage par pressage à chaud
La poudre de nitrure de silicium est mélangée à divers oxydes (tels que MgO, Al2O3, CeO2, etc.) comme additifs de frittage. Le frittage est effectué à des températures supérieures à 1 600 °C sous certaines pressions, un processus connu sous le nom de frittage par pressage à chaud.
L'avantage du frittage par pressage à chaud est que les propriétés mécaniques des céramiques Si3N4 préparées par cette méthode sont supérieures à celles frittées par d'autres méthodes, présentant une dureté, une résistance et une ténacité plus élevées. Il est couramment utilisé pour produire outils de coupe en céramique.
Cependant, le frittage par pressage à chaud présente également des inconvénients tels que des coûts de production élevés, des exigences complexes en matière d'équipement de frittage et la présence de propriétés anisotropes dues à la pression uniaxiale pendant le frittage.
3. Méthode de frittage sans pression
Le frittage sans pression consiste à utiliser l'α-Si3N4 comme matière première sous pression atmosphérique standard, en ajoutant une certaine quantité d'adjuvants de frittage pour le frittage en phase liquide. Pendant le frittage, l'α-Si3N4 se transforme en β-Si3N4 et la structure des grains de nitrure de silicium passe de cristaux équiaxes à des cristaux colonnaires, améliorant ainsi les propriétés des échantillons.L’avantage du frittage sans pression réside dans son processus de préparation relativement simple et son coût inférieur, ce qui permet d’obtenir des céramiques de nitrure de silicium hautes performances. Cependant, l’inconvénient est que les échantillons peuvent subir un retrait important après frittage, entraînant des fissures et des déformations.
Les céramiques de nitrure de silicium préparées par frittage sans pression sont largement utilisées dansla production de bagues d'étanchéité, d'anneaux à rouleaux dans l'industrie métallurgique, de récipients pour le transport de métaux en fusion et d'auges.
4. Méthode de frittage sous pression de gaz
Le frittage sous pression de gaz est généralement réalisé à des pressions de 1 à 10 MPa et à des températures autour de 2 000 °C, légèrement supérieures à celles des autres méthodes de frittage. Même avec moins d'additifs de frittage, cette méthode peut favoriser la croissance des grains de Si3N4, ce qui donne des échantillons présentant des grains en forme de colonne allongée, une densité élevée et une résistance élevée.
Grâce au frittage sous pression de gaz, des produits de formes complexes diverses peuvent être formés et frittés, ayant ainsi des applications plus larges par rapport aux céramiques de nitrure de silicium préparées par d'autres procédés.
En plus des tubes de protection des thermocouples, des creusets pour la fusion des métaux, des tuyères de fusée, des outils de coupe en céramique, des billes de roulement, des bagues d'étanchéité, des bagues à rouleaux dans l'industrie métallurgique, et des récipients pour transporter des métaux en fusion, les céramiques de nitrure de silicium produites par frittage sous pression de gaz sont également largement utilisées dans divers composants à haute température et à haute contrainte.jeNCpièces de moteur à turbine en céramique, tels que les aubes de stator, les aubes de rotor et les carters.
5. Méthode de frittage par pressage isostatique à chaud (HIP)
Le pressage isostatique à chaud implique l'application simultanée de gaz à haute température et à haute pression isotrope sur des poudres céramiques, des compacts ou des corps pré-frittés pour obtenir une densification par frittage.
Combinant les avantages du pressage à chaud et du frittage sans pression, le pressage isostatique à chaud peut produire des céramiques de nitrure de silicium de haute densité et de formes complexes. Cependant, en raison d'équipements coûteux, de processus de production complexes et d'exigences techniques élevées, il est principalement utilisé pour fabriquer des produits en nitrure de silicium haut de gamme, tels quebilles de roulement en nitrure de silicium.
De plus, les céramiques de nitrure de silicium préparées par pressage isostatique à chaud ont des applications potentielles importantes dans des domaines exigeant des produits de haute performance, tels queapplications de micro-palier dans les détecteurs infrarouges.
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