El nitruro de silicio es un material cerámico excepcional con propiedades y aplicaciones particulares en las industrias modernas. Entre ellas, las aplicaciones más impactantes se encuentran en la industria automotriz, la ingeniería aeroespacial, la fabricación de rodamientos, la electrónica, la biomedicina y los implantes dentales.
El Si3N4 ha hecho que muchos equipos y maquinarias sean más eficientes y duraderos que antes.
En este artículo, descubriremos los usos del nitruro de silicio en las industrias modernas. Profundicemos en ello.
¿Qué es el nitruro de silicio?
El nitruro de silicio (Si₃N₄) es un material cerámico no metálico, sólido, de color blanco, químicamente inerte y termodinámicamente estable. Se produce mediante la reacción química del silicio en polvo mantenido en una atmósfera de nitrógeno a unos 1400 °C. La reacción química que se produce en el nitruro de silicio es la siguiente:
3Si+ 2N2= Si3N4
Se utilizan distintos tipos de materiales a base de nitruro de silicio para distintos fines. Cada uno presenta propiedades y rendimiento diferentes. A continuación, se presentan algunas de las formas más utilizadas de materiales Si₃N₄:
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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)
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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 (Si3N4): El elemento cerámico Si₃N₄ posee numerosas propiedades destacadas que lo hacen adecuado para diversas aplicaciones industriales y de ingeniería de alto rendimiento. Las principales propiedades del nitruro de silicio son:
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Baja densidad de alrededor de 3,21 g/cm3
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Alta resistencia mecánica
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Alta tenacidad a la fractura de alrededor de 7 MPam1/2
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Alta resistencia al choque térmico cerca de 569 K
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Excelente estabilidad térmica y 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 una tenacidad superior a la fractura.
Principales usos del nitruro de silicio en las industrias modernas:
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Fabricación de motores: El nitruro de silicio se utiliza ampliamente en la fabricación de diferentes motores alternativos, motores de encendido por chispa, motores de automóviles y motores diésel.
También se fabrican diversas piezas de motor, como bujías incandescentes de motores diésel, cámaras de precombustión (o cámaras de remolino), turbocompresores, pastillas de balancines de motores de encendido por chispa y válvulas de control de gases de escape.
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Industria de rodamientos: El material de nitruro de silicio completamente densificado es resistente al desgaste, suave, muy rígido y estable a altas temperaturas.
Por lo tanto, el HPSN (nitruro de silicio prensado en caliente) se utiliza comúnmente en la producción de rodamientos. Estos Si₃N₄ densos mejoran el rendimiento operativo de los rodamientos de bolas y de rodillos sin lubricación.
El rodamiento de cerámica Si3N4 no se ve afectado por campos eléctricos, campos magnéticos ni corrosión. Estos rodamientos son duraderos, altamente resistentes a la corrosión y rápidos como los de acero.
La mayoría de los rodamientos fabricados con Si3N4 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. Estos materiales no son sostenibles a las temperaturas, la presión y la corrosión extremas de los vehículos de vuelo hipersónico.
Por este motivo, la industria aeroespacial avanzada requiere materiales más robustos, ligeros, de alta resistencia, resistentes a la corrosión y a la temperatura, como el nitruro de silicio cerámico.
Es esencial en la fabricación de motores, propulsores, componentes de misiles, sistemas de combustible, ventanas de RF, cojinetes de bolas y radomos de aeronaves.
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Fabricación de electrodomésticos: El nitruro de silicio tiene amplias aplicaciones en las industrias electrónica y microelectrónica. Se utiliza principalmente como barrera química y aislante en diversos aparatos electrónicos.
Si3N4 es un elemento esencial de los circuitos integrados (CI) y del embalaje protector de dispositivos electrónicos altamente sensibles.
El nitruro de silicio funciona como capa pasiva y barrera de difusión en dispositivos microelectrónicos. Se emplea como aislante eléctrico en los condensadores del chip analógico.
El nitruro de silicio posee una naturaleza de banda ancha. Por ello, 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 tiene numerosos usos en la industria de la soldadura por resistencia eléctrica para la fabricación de rodillos de soldadura, reemplazando así al acero tradicional. Su extrema dureza, resistencia y resistencia al choque térmico lo han convertido en un material esencial para esta industria.
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Industria biomédica: El nitruro de silicio es un material ideal para uso biomédico debido a su biocompatibilidad, características antibacterianas, esterilización química, radiolucidez, peso ligero, resistencia al desgaste y a la corrosión y resistencia mecánica.
El nitruro de silicio no presenta efectos secundarios al aplicarse en el cuerpo humano gracias a su biocompatibilidad. Su resistencia a la formación de biopelículas y al crecimiento bacteriano previene infecciones alrededor de los implantes.
La osteoconductividad del nitruro de silicio forma el hueso. Por ello, se utiliza en implantes dentales y ortopédicos, en el cuidado de heridas y en dispositivos para la fijación de fracturas.
El nitruro de silicio se utiliza como sustituto de la columna vertebral y las articulaciones. Su excepcional resistencia mecánica le permite soportar altas tensiones y cargas pesadas.
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Biosensor: Las propiedades mecánicas y eléctricas superiores del nitruro de silicio lo han convertido en un material excelente para la industria de los biosensores.
Su uso en la tecnología de biosensores ha resuelto numerosos problemas relacionados 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.
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Usos dentales: La Sociedad Americana de Cerámica se ha referido al nitruro de silicio como el "material cerámico asesino" por sus propiedades antibacterianas. Inhibe la bacteria Porphyromonas gingivalis, que se genera en la cavidad oral. Esta bacteria es la causa de la enfermedad periodontal.
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, lo que garantiza su longevidad.
Si3N4 rompe la estructura biológica de las bacterias y destruye las moléculas, el ADN y las proteínas de las células.
Se utiliza para fabricar coronas protésicas, implantes dentales y elementos para el fortalecimiento de conductos radiculares. Las coronas, puentes y carillas dentales de nitruro de silicio tienen la apariencia de un diente real. Estos implantes dentales de Si₃N₄ pueden tolerar la fricción repetida con otros dientes y la tensión mecánica.
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Posibles usos futuros: El silicio cerámico ofrece numerosas posibilidades en diversas 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
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, espaciador y máscara dura en la fabricación de CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico).
Q2: ¿Cuál es la función de trabajo del nitruro de silicio?
La función de trabajo de un material es la energía mínima necesaria para mover un electrón desde su superficie. La función de trabajo del nitruro de silicio no es fija y varía entre 4,2 eV y 5,2 eV. Varía según el entorno de fabricación y las propiedades del material.
P3: ¿Cuáles son los usos del nitruro?
Los materiales de nitruro se utilizan ampliamente por su resistencia química, alta dureza y estabilidad térmica.
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 hablado de los importantes usos del nitruro de silicio en diferentes campos. Espero que hayan disfrutado del artículo y adquirido los conocimientos necesarios para su carrera profesional.
Manténgase conectado con nosotros para seguir aprendiendo sobre materiales cerámicos importantes, sus propiedades y aplicaciones. Gracias.