Il nitruro di silicio è un materiale ceramico eccezionale con proprietà e applicazioni particolari nei settori industriali moderni. Tra questi, le applicazioni di maggiore impatto si trovano nell'industria automobilistica, nell'ingegneria aerospaziale, nella produzione di cuscinetti, nell'elettronica, nel settore biomedico e negli impianti dentali.
Grazie al Si3N4, molti macchinari e attrezzature sono diventati più efficienti e duraturi rispetto al passato.
In questo articolo scopriremo gli utilizzi del nitruro di silicio nell'industria moderna. Approfondiamo l'argomento.
Che cos'è il nitruro di silicio?
Il nitruro di silicio (Si3N4) è un materiale ceramico non metallico, solido, di colore bianco, chimicamente inerte e termodinamicamente stabile. Viene prodotto dalla reazione chimica di silicio in polvere mantenuto in atmosfera di azoto a circa 1400 gradi Celsius. La reazione chimica che si verifica nel nitruro di silicio è la seguente:
3Si+ 2N2= Si3N4
Diversi tipi di materiali a base di nitruro di silicio vengono utilizzati per scopi diversi. Ognuno di essi presenta proprietà e prestazioni diverse. Di seguito sono riportate alcune delle forme di materiali Si3N4 più utilizzate:
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RBSN (nitruro di silicio legato tramite reazione)
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HPSN (nitruro di silicio pressato a caldo)
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SRBSN (nitruro di silicio sinterizzato legato tramite reazione)
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SSN (nitruro di silicio sinterizzato)
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PSSN (nitruro di silicio sinterizzato a pressione parziale)
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e HIPSN (nitruro di silicio pressato isostaticamente a caldo).
Proprietà principali del nitruro di silicio (Si3N4): L'elemento ceramico Si3N4 presenta numerose proprietà straordinarie che lo rendono adatto a diverse applicazioni ingegneristiche e industriali ad alte prestazioni. Le principali proprietà del nitruro di silicio sono:
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Bassa densità di circa 3,21 g/cm3
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Elevata resistenza meccanica
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Elevata tenacità alla frattura di circa 7 MPam1/2
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Elevata resistenza agli shock termici vicino a 569 K
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Eccellente stabilità termica e resistenza all'usura
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Basso coefficiente di dilatazione termica
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Resistenza superiore agli shock termici
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Buona resistenza all'ossidazione
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E una tenacità alla frattura superiore.
Principali utilizzi del nitruro di silicio nelle industrie moderne:
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Produzione di motori: Il nitruro di silicio è ampiamente utilizzato nella produzione di diversi motori alternativi, motori ad accensione comandata, motori per automobili e motori diesel.
Con questo materiale vengono realizzate anche varie parti del motore, come le candelette dei motori diesel, le camere di precombustione (o camere di turbolenza), i turbocompressori, i cuscinetti dei bilancieri dei motori ad accensione comandata e le valvole di controllo dei gas di scarico.
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Industria dei cuscinetti: Il materiale in nitruro di silicio completamente densificato è resistente all'usura, liscio, estremamente rigido e stabile alle alte temperature.
Ecco perché l'HPSN (nitruro di silicio pressato a caldo) è comunemente utilizzato nella produzione di cuscinetti. Questi Si3N4 densi migliorano le prestazioni operative dei cuscinetti a sfere e dei cuscinetti a rulli non lubrificati.
I cuscinetti in ceramica Si3N4 non sono influenzati da campi elettrici, campi magnetici o corrosione. Questi cuscinetti sono durevoli, altamente resistenti alla corrosione e veloci come i cuscinetti in acciaio.
La maggior parte dei cuscinetti realizzati in Si3N4 sono cuscinetti a sfere ibridi con piste in acciaio e sfere in ceramica. Questi cuscinetti ibridi sono utilizzati per pompe per vuoto, trapani odontoiatrici e mandrini di macchine utensili.
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Industria aerospaziale: Materiali convenzionali come compositi e metalli sono stati utilizzati a lungo nella produzione di aeromobili. Questi materiali non sono sostenibili alle temperature estreme, alla pressione e alla corrosione dei velivoli ipersonici.
Per questo motivo, l'industria aerospaziale avanzata necessita di materiali più robusti, leggeri, ad alta resistenza, resistenti alla corrosione e alle temperature, come il nitruro di silicio ceramico.
È essenziale nella produzione di motori, propulsori, componenti di missili, sistemi di alimentazione, finestrini RF, cuscinetti a sfera e radome degli aerei.
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Produzione di apparecchiature elettroniche: Il nitruro di silicio ha ampie applicazioni nei settori dell'elettronica e della microelettronica. Viene utilizzato principalmente come barriera chimica e isolante in diversi apparecchi elettronici.
Si3N4 è un elemento essenziale dei circuiti integrati (CI) e dell'imballaggio protettivo di dispositivi elettronici altamente sensibili.
Il nitruro di silicio funge da strato passivo e barriera alla diffusione nei dispositivi microelettronici. Viene impiegato come isolante elettrico nei condensatori dei chip analogici.
Il nitruro di silicio ha una natura a banda larga. Per questo motivo, trova applicazioni nell'elaborazione dei segnali ottici, nell'ottica biochimica e biomedica, nella biofotonica, nella comunicazione dati e nelle telecomunicazioni.
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Industria della saldatura: Il nitruro di silicio trova numerosi impieghi nel settore della saldatura a resistenza elettrica per la fabbricazione di rulli di saldatura, sostituendo l'acciaio tradizionale. L'estrema durezza, robustezza e resistenza agli shock termici lo hanno reso un materiale essenziale per questo settore.
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Industria biomedica: Il nitruro di silicio è un materiale ideale per l'uso biomedico grazie alla sua biocompatibilità, alle caratteristiche antibatteriche, alla sterilizzazione chimica, alla radiotrasparenza, alla leggerezza, alla resistenza all'usura e alla corrosione e alla resistenza meccanica.
Il nitruro di silicio non ha effetti collaterali quando viene inserito nel corpo umano grazie alla sua biocompatibilità. La sua resistenza alla formazione di biofilm e alla crescita batterica previene le infezioni attorno agli impianti.
L'osteoconduttività del nitruro di silicio contribuisce alla formazione dell'osso. Per questo motivo, viene utilizzato in impianti dentali e ortopedici, nella cura delle ferite e nei dispositivi di fissaggio delle fratture.
Il nitruro di silicio viene utilizzato come sostituto della colonna vertebrale e delle articolazioni. La sua eccezionale resistenza meccanica gli consente di sopportare sollecitazioni elevate e carichi pesanti.
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Biosensore: Le superiori proprietà meccaniche ed elettriche del nitruro di silicio lo hanno reso un materiale eccellente per l'industria dei biosensori.
Il suo utilizzo nella tecnologia dei biosensori ha risolto molti problemi associati alla sensibilità, alla stabilità e alle dimensioni dei biosensori ottici. Può inoltre migliorare ulteriormente l'efficacia della diagnostica in vivo e in vitro.
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Usi dentali: L'American Ceramic Society ha definito il nitruro di silicio il "materiale ceramico killer" per le sue caratteristiche antibatteriche. Sopprime il batterio Porphyromonas gingivalis che si sviluppa nel cavo orale, causa di malattie gengivali.
La stabilità chimica degli elementi dentali in nitruro di silicio ne impedisce la degradazione nell'ambiente orale a causa di saliva, acidi e altre sostanze chimiche. Non reagiscono né si corrodono come i materiali tradizionali, il che ne garantisce la longevità.
Si3N4 rompe la struttura biologica dei batteri e distrugge le molecole, il DNA e le proteine delle cellule.
Viene utilizzato per realizzare corone protesiche, impianti dentali ed elementi di rinforzo canalare. Le corone, i ponti e le faccette dentali in nitruro di silicio hanno un aspetto simile a quello di un dente vero. Questi impianti dentali realizzati in Si3N4 possono tollerare l'attrito ripetuto con altri denti e le sollecitazioni meccaniche.
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Possibili usi futuri: Il silicio ceramico offre numerose possibilità in diversi settori industriali. I campi più probabili sono le applicazioni aerospaziali avanzate, l'energia nucleare, la sanità, la biomedicina, l'elettronica ad alta potenza, i veicoli elettrici, le energie rinnovabili e la stampa 3D.
Una ricerca e uno sviluppo più approfonditi sui materiali in nitruro di silicio renderanno presto possibile tale utilizzo.
Domande frequenti
D1: Qual è l'impiego del nitruro di silicio nella fabbricazione dei CMOS?
Il nitruro di silicio viene utilizzato come strato dielettrico, barriera all'ossidazione, strato di passivazione, strato di arresto dell'incisione, ingegneria dello stress, distanziatore e maschera rigida nella fabbricazione di CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).
D2: Qual è la funzione lavoro del nitruro di silicio?
La funzione lavoro di un materiale è l'energia minima necessaria per spostare un elettrone dalla superficie del materiale. La funzione lavoro del nitruro di silicio non è fissa e varia tra 4,2 eV e 5,2 eV. Varia a seconda dell'ambiente di produzione e delle proprietà del materiale.
D3: Quali sono gli usi del nitruro?
I materiali in nitruro sono ampiamente utilizzati per la loro resistenza chimica, elevata durezza e stabilità termica.
Questi nitruri vengono utilizzati nell'elettronica, nei semiconduttori, negli abrasivi, negli utensili da taglio, nei rivestimenti protettivi, nei dispositivi a emissione luminosa, nell'industria aerospaziale e nell'industria automobilistica.
D4: Qual è la densità del nitruro di silicio?
La densità del nitruro di silicio è di 3,17 g/cm³ (grammi per centimetro cubo). Può variare tra 2,37 e 3,25 g/cm³ durante il processo produttivo. La densità del Si3N4 è un parametro importante per molte applicazioni, come la fisica nucleare.
Conclusione: Quindi, amici, è il momento di tirare le somme! Abbiamo discusso degli importanti utilizzi del nitruro di silicio in diversi campi. Spero che l'articolo vi sia piaciuto e che abbiate acquisito le conoscenze che vi saranno utili nella vostra carriera professionale.
Rimanete in contatto con noi per continuare a scoprire importanti materiali ceramici, le loro proprietà e applicazioni. Grazie.