El nitruro de silicio es un material cerámico duradero y resistente con numerosas características únicas. Tiene amplias aplicaciones en numerosas herramientas y equipos industriales.
Los usos más impactantes del nitruro de silicio son en la industria automotriz, la ingeniería aeroespacial, la fabricación de rodamientos, la industria electrónica, los equipos biomédicos, los implantes dentales, etc.
Sus excelentes propiedades físicas y químicas lo han convertido en el mejor sustituto de los materiales tradicionales en estos campos. Profundicemos en los usos del nitruro de silicio.
¿Qué es el nitruro de silicio?
El nitruro de silicio es un compuesto químico no metálico, de color blanco, sólido, químicamente inerte y termodinámicamente estable. Está compuesto por tres átomos de silicio y cuatro de nitrógeno. Su fórmula es Si₃N₄. Es uno de los nitruros industriales más importantes.
El nitruro de silicio se obtiene mediante la reacción química del silicio en polvo, mantenido en una atmósfera de nitrógeno a una temperatura aproximada de 1400 grados centígrados. La reacción química es la siguiente:
3Si+ 2N2= Si3N4
El compuesto se introdujo por primera vez en 1857 y el primer nitruro de silicio sintético fue inventado por Deville y Wohler dos años después de la introducción del compuesto en 1859.
Se utilizó como cerámica estructural en la década de 1970 y en motores de combustión interna y turbinas de gas en la década de 1980.
Las propiedades, el procesamiento y la síntesis del Si₃N₄ se estudiaron ampliamente durante varios años. Como resultado, el uso comercial del nitruro de silicio ha aumentado significativamente en los últimos años.
Hay diferentes tipos de materiales basados en nitruro de silicio disponibles, como:
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RBSN (nitruro de silicio unido por reacción),
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HPSN (nitruro de silicio prensado en caliente),
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SRBSN (nitruro de silicio unido por reacción sinterizado),
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SSN (nitruro de silicio sinterizado), PSSN (nitruro de silicio sinterizado a presión parcial)
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y HIPSN (nitruro de silicio prensado isostáticamente en caliente).
Propiedades clave del nitruro de silicio: La cerámica de nitruro de silicio posee propiedades sorprendentes que la hacen adecuada para diversas aplicaciones de ingeniería avanzada. Conocer estas propiedades le ayudará a comprender sus usos. Las principales propiedades del nitruro de silicio son:
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Baja densidad
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Alta resistencia mecánica y tenacidad.
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Alta resistencia al choque térmico
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Excelente estabilidad térmica
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Excelente resistencia al desgaste
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Bajo coeficiente de expansión térmica
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Resistencia superior al choque térmico
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Buena resistencia a la oxidación
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Y tenacidad a la fractura.
Principales usos del nitruro de silicio en las industrias modernas:
El nitruro de silicio es uno de los materiales cerámicos estructurales más utilizados para diversos equipos, electrodomésticos y piezas. Sus aplicaciones más influyentes son:
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Fabricación de motores: El nitruro de silicio se utiliza ampliamente en la fabricación de diversos motores alternativos, motores de encendido por chispa y piezas para motores diésel. También se utiliza en la industria de motores de automóviles, donde las averías no son graves.
Las piezas del motor diésel fabricadas con nitruro de silicio son las bujías incandescentes, las cámaras de precombustión (o cámaras de turbulencia) y los turbocompresores. El turbocompresor del motor diésel SiN4 presenta una inercia menor, lo que reduce el retardo del motor y las emisiones de escape.
Las piezas del motor de encendido por chispa de nitruro de silicio son las pastillas de balancines, los turbocompresores y las válvulas de control de gases de escape. Esta válvula aumenta la aceleración y la pastilla de balancines reduce el desgaste del motor.
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Industria de rodamientos: El nitruro de silicio totalmente densificado es resistente al desgaste, presenta menor fricción, alta rigidez y estabilidad a altas temperaturas. Por ello, el HPSN (nitruro de silicio prensado en caliente) se utiliza comúnmente en la producción de rodamientos. Este Si₃N₄ denso mejora el rendimiento operativo de los rodamientos de bolas y de rodillos sin lubricación.
Los rodamientos cerámicos no se ven afectados por campos eléctricos, campos magnéticos ni corrosión. Estos rodamientos ofrecen una mayor vida útil, mayor resistencia a la corrosión y mayor velocidad que los rodamientos de materiales convencionales, como el acero. Los rodamientos cerámicos se utilizan en máquinas y uniones donde los rodamientos metálicos están prohibidos.
La mayoría de los rodamientos de nitruro de silicio son rodamientos de bolas híbridos con pistas de acero y bolas de cerámica. Estos rodamientos híbridos se utilizan en bombas de vacío, taladros dentales y husillos de máquinas herramienta.
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Industria aeroespacial: Los materiales convencionales, como los compuestos y los metales, se han utilizado en la producción aeronáutica durante mucho tiempo. Sin embargo, no son sostenibles en las condiciones extremas de temperatura, presión y corrosión de los vehículos de vuelo hipersónico.
Por lo tanto, la industria aeroespacial avanzada requiere materiales más robustos, livianos, de alta resistencia, resistentes a la corrosión, resistentes a la temperatura y estables como la cerámica.
La resistencia mecánica y robustez del nitruro de silicio cerámico lo hacen adecuado para ventanas de radiofrecuencia, rodamientos de bolas y radomos. Se requiere mayor investigación, desarrollo y personalización para utilizar el material ampliamente en la industria aeroespacial.
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Fabricación de electrodomésticos: El nitruro de silicio posee propiedades eléctricas únicas, lo que lo convierte en un material popular en la industria microelectrónica como barrera química y aislante. Se utiliza en circuitos integrados (CI) y en el embalaje protector de dispositivos electrónicos de alta sensibilidad.
El nitruro de silicio no participa en las reacciones químicas con los iones de sodio y el agua. Actúa como capa pasiva y barrera de difusión en dispositivos microelectrónicos.
El nitruro de silicio cerámico también se utiliza como aislante eléctrico en los condensadores del chip analógico. Gracias a su capacidad de banda ancha, tiene aplicaciones en el procesamiento de señales ópticas, la óptica bioquímica y biomédica, la biofotónica, la comunicación de datos y las telecomunicaciones.
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Industria de la soldadura: El nitruro de silicio (Si3N4) está reemplazando el acero convencional en la soldadura por resistencia eléctrica. Los rodillos de soldadura fabricados con nitruro de silicio son populares en la industria de la soldadura. Su dureza, resistencia y resistencia al choque térmico lo han convertido en un material esencial para esta industria.
Las herramientas de soldadura de nitruro de silicio son eficientes, duraderas y requieren menos mantenimiento que otras herramientas de metal. Si desea mejorar su equipo de soldadura, utilice los productos Si3N4.
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Industria biomédica: El nitruro de silicio posee propiedades especiales como biocompatibilidad, propiedades antibacterianas, esterilización química, radiotransparencia, ligereza, resistencia al desgaste y a la corrosión, y resistencia mecánica. Estas propiedades lo convierten en un material ideal para uso biomédico.
La biocompatibilidad garantiza que el nitruro de silicio no presente efectos secundarios al aplicarse en el cuerpo humano. Presenta una excelente resistencia a la formación de biopelículas y al crecimiento bacteriano, lo que previene infecciones alrededor de los implantes.
La osteoconductividad del nitruro de silicio contribuye a la formación del hueso. Por ello, este material se utiliza en implantes dentales y ortopédicos, así como en el cuidado de heridas. También se utiliza en dispositivos de fijación de fracturas.
La excepcional resistencia mecánica del nitruro de silicio permite soportar altas tensiones y cargas pesadas como sustituto de la columna vertebral y las articulaciones. Su resistencia al desgaste y la corrosión garantiza la longevidad de los implantes. Además, reduce la posibilidad de liberación de iones y residuos en el cuerpo.
La radiolucidez del nitruro de silicio permite una mejor monitorización postoperatoria mediante radiografías y tomografías computarizadas, ya que no obstruye los procesos de imagen como los implantes metálicos.
Después de todo, los elementos de nitruro de silicio ayudan a los profesionales médicos a detectar y curar posibles complicaciones de forma más efectiva.
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Biosensor: La aplicación del nitruro de silicio en la tecnología de biosensores ha resuelto los problemas asociados con la sensibilidad, la estabilidad y el tamaño de los biosensores ópticos.
Puede mejorar aún más la eficacia del diagnóstico in vivo e in vitro. Las excelentes propiedades mecánicas y eléctricas del nitruro de silicio lo convierten en un material excelente para la industria de los biosensores.
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Usos dentales: Diferentes propiedades influyentes han hecho que el Si3N4 sea perfecto para uso dental.
La Sociedad Americana de Cerámica ha reconocido al nitruro de silicio como el "material cerámico definitivo" por sus propiedades antibacterianas. Puede inhibir la proliferación de la bacteria Porphyromonas gingivalis en la cavidad oral, causante de la enfermedad periodontal.
El nitruro de silicio puede romper la estructura biológica de las bacterias y dañarlas destruyendo las moléculas, el ADN y las proteínas de las células.
Las coronas, puentes y carillas dentales de nitruro de silicio tienen la apariencia de un diente real. Estos elementos dentales de Si₃N₄ pueden soportar el contacto repetido con otros dientes y la tensión mecánica.
La estabilidad química de los elementos dentales de nitruro de silicio resiste su degradación en el entorno bucal por la saliva, los ácidos y otras sustancias químicas. No reaccionan ni se corroen como otros materiales y garantizan una larga vida útil.
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Posibles usos futuros: Existen grandes posibilidades de utilizar nitruro de silicio cerámico en diferentes industrias. Los campos más probables son las aplicaciones aeroespaciales avanzadas, la energía nuclear, la salud, la biomedicina, la electrónica de alta potencia, los vehículos eléctricos, las energías renovables y la impresión 3D.
Una investigación y un desarrollo más amplios sobre materiales de nitruro de silicio harán posible ese uso pronto.
Preguntas frecuentes
Algunas preguntas frecuentes le ayudarán a comprender mejor los usos del nitruro de silicio. Las preguntas más comunes sobre este tema son:
P1: ¿Cuál es el uso del nitruro de silicio en la fabricación de CMOS?
El nitruro de silicio se utiliza como capa dieléctrica, barrera de oxidación, capa de pasivación, capa de detención de grabado, ingeniería de tensión, material espaciador, máscara dura, etc. en la fabricación de CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario).
Q2: ¿Cuál es la función de trabajo del nitruro de silicio?
La función de trabajo de un material se refiere a la energía mínima necesaria para mover un electrón desde su superficie. La función de trabajo del nitruro de silicio no es fija. Varía según el entorno de fabricación y las propiedades del material.
La función de trabajo del nitruro de silicio está entre 4,2 eV y 5,2 eV.
P3: ¿Cuáles son los usos del nitruro?
Los materiales de nitruro se utilizan ampliamente por su resistencia química, alta dureza y estabilidad térmica. Algunos de los más utilizados son el nitruro de silicio, el nitruro de boro, el nitruro de litio, el nitruro de titanio y el nitruro de galio.
Estos nitruros se utilizan en electrónica, semiconductores, abrasivos, herramientas de corte, recubrimientos protectores, dispositivos emisores de luz, industria aeroespacial y automotriz.
Q4: ¿Cuál es la densidad del nitruro de silicio?
La densidad del nitruro de silicio es de 3,17 g/cm³ (gramos por centímetro cúbico). Puede variar entre 2,37 y 3,25 g/cm³ durante el proceso de producción. La densidad del Si₃N₃ es un parámetro importante para numerosas aplicaciones, como la física nuclear.
Conclusión: Amigos, ¡es hora de resumir! Hemos cubierto los importantes usos del nitruro de silicio en diferentes campos. Espero que hayan disfrutado del artículo y adquirido los conocimientos necesarios para sus actividades profesionales.
Manténgase conectado con nosotros para seguir aprendiendo sobre materiales cerámicos importantes, sus propiedades y aplicaciones. Gracias.