L'origine et le développement des céramiques de nitrure de silicium
Snitrure d'ilicium (Si3N4)est un composé covalent composé de silicium et d'azote, découvert en 1857. À ses débuts, certains chercheurs, notamment en Allemagne, n'étaient pas complètement convaincus de sa composition chimique. Cependant, des recherches approfondies ont ensuite confirmé l’exactitude de cette formule chimique, largement citée à ce jour. Néanmoins, plus d’un siècle après sa découverte, les matériaux en nitrure de silicium n’ont pas connu d’applications généralisées.
La forme céramique du nitrure de siliciuma été développé pour la première fois au Royaume-Uni. Ce matériau céramique a été produit pour la première fois en 1955 et était principalement utilisé pour les tubes de thermocouples, les creusets en métal fondu et les tuyères de fusée. Ce type de matériau est produit en pressant une poudre de silicium métallique pour lui donner une forme, puis en la nitrurant en la chauffant et en l'exposant à de l'azote gazeux, appelé plus tard nitrure de silicium lié par réaction. En raison de la présence d'environ 25 % de porosité dans le nitrure de silicium lié par réaction, il lui manquait la haute densité nécessaire pour présenter les propriétés supérieures de résistance et de dureté des matériaux en nitrure de silicium.
En 1960, Parr, Martin, May et d'autres ont publié une étude complète des propriétés et de la structure du nitrure de silicium lié par réaction, décrivant les techniques qu'ils ont développées. Ces techniques ont fourni un soutien technique important pour le développement ultérieur de céramiques de nitrure de silicium.
Dans les années 1970, les États-Unis ont lancé un programme de développement de matériaux à base de nitrure de silicium à grande échelle. Le ministère américain de la Défense a lancé un projet de développement de cinq ans en collaboration avec Ford Motor Company et Westinghouse Electric Corporation en 1971. Le projet visait à explorer la faisabilité de l'utilisation du nitrure de silicium en remplacement des matériaux de moteur traditionnels et à développer des moteurs à turbine à gaz en céramique. . Au début du projet, il a été reconnu que le frittage sous pression conventionnel se limitait à produire des formes simples de nitrure de silicium, tandis que les composants des moteurs de turbine à gaz étaient complexes. Par conséquent, l’application de matériaux céramiques dans les moteurs ne serait possible que si le processus de fabrication des céramiques de nitrure de silicium était amélioré.
En 1976, Terwilliger et Lange découvrirent par hasard que la poudre de nitrure de silicium pouvait être frittée sans appliquer de pression mécanique. Ils ont mené des expériences de pressage à chaud sur de la poudre de magnésium et de nitrure de silicium dopée à l'oxygène à des températures supérieures à la normale. Même sans pression conventionnelle, les cylindres de poudre de nitrure de silicium présentaient toujours un retrait important. Il a été conclu que dans l’espace limité du moule en graphite, la perte par évaporation du nitrure de silicium était inhibée, permettant ainsi une densification globale. Cette découverte a marqué une étape importante dans le développement des céramiques de nitrure de silicium haute densité et a conduit au développement du nitrure de silicium fritté sans pression.
Lors du frittage à haute température, la décomposition du nitrure de silicium est importante et ne peut pas être efficacement supprimée par un simple garnissage en poudre. C’est pourquoi le frittage sous pression du nitrure de silicium a été développé. En 1976, la société japonaise Mitomo a fait état de recherches sur le frittage de céramique Si3N4 sous une pression d'azote de 10 atm à des températures allant de 1 450 °C à 1 900 °C. Il s’agit de la première méthode de frittage sous pression de céramiques en nitrure de silicium.
Les différentes techniques de frittage mentionnées ci-dessus sont le résultat des efforts incessants de générations de chercheurs en céramique pour aborder différentes applications techniques des céramiques de nitrure de silicium. Récemment, des technologies émergentes telles que le frittage par plasma étincelant et le frittage par micro-ondes ont ouvert de nouvelles voies pour l’application du nitrure de silicium.
En termes d'applications, qu'il s'agisse de fusées s'envolant dans l'espace ou de voitures qui courent sur les autoroutes, ou encore d'outils de coupe indestructibles et d'os artificiels robustes,céramique de nitrure de siliciumsont devenus un matériau clé indispensable dans la technologie industrielle, en particulier dans les domaines des technologies avancées. Elle représente l’une des orientations majeures du développement de la science moderne des matériaux.
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