O nitreto de silício é um material cerâmico durável e resistente, com diversas características únicas. Possui amplas aplicações em diversas ferramentas e equipamentos industriais.
Os usos mais impactantes do nitreto de silício são na indústria automotiva, engenharia aeroespacial, fabricação de rolamentos, indústria eletrônica, equipamentos biomédicos, implantes dentários, etc.
Suas excelentes propriedades físicas e químicas o tornaram o melhor substituto para os materiais tradicionais nessas áreas. Vamos nos aprofundar e explorar os usos do nitreto de silício em detalhes.
O que é nitreto de silício?
O nitreto de silício é um composto químico não metálico, termodinamicamente estável, sólido, quimicamente inerte, de cor branca. É composto por três átomos de silício e quatro de nitrogênio. Sua fórmula é Si3N4. É um dos nitretos industriais mais importantes.
O nitreto de silício é produzido a partir da reação química do silício em pó mantido em atmosfera de nitrogênio a uma temperatura de cerca de 1400 graus Celsius. A reação química é:
3Si+ 2N2= Si3N4
O composto foi introduzido pela primeira vez em 1857 e o primeiro nitreto de silício sintético foi inventado por Deville e Wohler dois anos após a introdução do composto em 1859.
Foi usado como cerâmica estrutural na década de 1970 e em motores de combustão interna e turbinas a gás na década de 1980.
As propriedades, o processamento e a síntese do Si3N4 foram amplamente estudados ao longo dos anos seguintes. Como resultado, o uso comercial de nitreto de silício aumentou significativamente nos últimos anos.
Existem diferentes tipos de materiais à base de nitreto de silício disponíveis, como:
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RBSN (nitreto de silício ligado por reação),
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HPSN (nitreto de silício prensado a quente),
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SRBSN (nitreto de silício sinterizado ligado por reação),
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SSN (nitreto de silício sinterizado), PSSN (nitreto de silício sinterizado por pressão parcial)
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e HIPSN (nitreto de silício prensado isostaticamente a quente).
Principais propriedades do nitreto de silício: A cerâmica de nitreto de silício possui propriedades incríveis que a tornam adequada para diferentes aplicações avançadas de engenharia. Aprender sobre essas propriedades ajudará você a entender seus usos. As principais propriedades do nitreto de silício são:
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Baixa densidade
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Alta resistência mecânica e tenacidade
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Alta resistência ao choque térmico
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Excelente estabilidade térmica
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Excelente resistência ao desgaste
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Baixo coeficiente de expansão térmica
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Resistência superior ao choque térmico
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Boa resistência à oxidação
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E resistência à fratura.
Principais usos do nitreto de silício nas indústrias modernas:
O nitreto de silício é um dos materiais cerâmicos estruturais mais utilizados em diversos equipamentos, aparelhos e peças. As aplicações mais influentes do nitreto de silício são:
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Fabricação de motores: O nitreto de silício é amplamente utilizado na fabricação de diversos motores alternativos, motores de ignição por centelha e peças de motores a diesel. Também é utilizado na indústria de motores automotivos, onde as falhas não são graves.
As peças do motor diesel feitas de nitreto de silício são velas de incandescência, câmaras de pré-combustão (ou câmaras de turbulência) e turbocompressores. O turbocompressor do motor diesel SiN4 tem menor inércia, o que reduz o atraso do motor e as emissões de escapamento.
As peças do motor com ignição por faísca de nitreto de silício são pastilhas de balancim, turbocompressores e válvulas de controle de gases de escape. Esta válvula de controle de gases de escape aumenta a aceleração e a pastilha de balancim reduz o desgaste do motor.
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Indústria de rolamentos: O material de nitreto de silício totalmente densificado é resistente ao desgaste, menos friccional, altamente rígido e estável em altas temperaturas. Por isso, o HPSN (nitreto de silício prensado a quente) é comumente utilizado na produção de rolamentos. Este Si3N4 denso aumenta o desempenho operacional de rolamentos de esferas e rolos sem lubrificação.
O rolamento cerâmico não é afetado por campos elétricos, campos magnéticos e corrosão. Esses rolamentos têm vida útil mais longa, maior resistência à corrosão e melhor velocidade do que materiais convencionais, como rolamentos de aço. Os rolamentos cerâmicos são usados em máquinas e junções onde rolamentos de metal são proibidos.
A maioria dos rolamentos de nitreto de silício são rolamentos de esferas híbridos com pistas de aço e esferas de cerâmica. Esses rolamentos híbridos são usados em bombas de vácuo, brocas odontológicas e fusos de máquinas-ferramentas.
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Indústria aeroespacial: Materiais convencionais, como compósitos e metais, são utilizados na produção de aeronaves há muito tempo. No entanto, eles não são sustentáveis em condições extremas de temperatura, pressão e corrosão de veículos de voo hipersônicos.
Portanto, a indústria aeroespacial avançada exige materiais mais robustos, leves, de alta resistência, resistentes à corrosão, à temperatura e estáveis, como a cerâmica.
A resistência mecânica e a robustez do nitreto de silício cerâmico o tornam adequado para janelas de RF, rolamentos de esferas e radomos. Mais pesquisa, desenvolvimento e personalização são necessários para que o material seja amplamente utilizado na indústria aeroespacial.
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Fabricação de aparelhos eletrônicos: O nitreto de silício possui propriedades elétricas únicas, tornando-o um material popular na indústria microeletrônica como barreira química e isolante. É usado em circuitos integrados (CIs) e na proteção de dispositivos eletrônicos altamente sensíveis.
O nitreto de silício não participa das reações químicas com os íons de sódio e a água. Ele atua como uma camada passiva e barreira de difusão em dispositivos microeletrônicos.
O nitreto de silício cerâmico também é usado como isolante elétrico nos capacitores do chip analógico. Devido à sua natureza de banda larga, ele tem aplicações em processamento óptico de sinais, óptica bioquímica e biomédica, biofotônica, comunicação de dados e telecomunicações.
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Indústria de soldagem: O nitreto de silício Si3N4 está substituindo o uso do aço convencional na soldagem por resistência elétrica. Os rolos de soldagem feitos de nitreto de silício são populares na indústria de soldagem. Sua dureza, resistência e resistência ao choque térmico o tornaram um material essencial para essa indústria.
As ferramentas de soldagem feitas de nitreto de silício são eficientes, duráveis e exigem menos manutenção do que outras ferramentas de metal. Se você deseja melhorias em seu equipamento de soldagem, use os produtos Si3N4.
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Indústria biomédica: O nitreto de silício possui propriedades especiais como biocompatibilidade, propriedades antibacterianas, esterilização química, radiolucidez, leveza, resistência ao desgaste e à corrosão e resistência mecânica. Essas propriedades o tornaram um material ideal para uso biomédico.
A biocompatibilidade garante que o nitreto de silício não apresente efeitos colaterais quando implementado no corpo humano. Possui excelente resistência à formação de biofilme e ao crescimento bacteriano, o que previne infecções ao redor dos implantes.
A osteocondutividade do nitreto de silício auxilia na formação óssea. Por isso, o material é utilizado em implantes dentários, ortopédicos e no tratamento de feridas. Também é utilizado em dispositivos de fixação de fraturas.
A excepcional resistência mecânica do nitreto de silício permite suportar altas tensões e cargas pesadas como substituto para a coluna e as articulações. A resistência ao desgaste e à corrosão garante a longevidade dos implantes. Também reduz a possibilidade de liberação de íons e detritos no corpo.
A radiolucidez do nitreto de silício permite um melhor monitoramento pós-operatório por meio de raios X e tomografias computadorizadas, pois não obstrui esses processos de imagem como os implantes metálicos.
Afinal, os elementos de nitreto de silício ajudam os profissionais médicos a detectar e curar possíveis complicações de forma mais eficaz.
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Biossensor: A aplicação de nitreto de silício na tecnologia de biossensores resolveu os problemas associados à sensibilidade, estabilidade e tamanho dos biossensores ópticos.
Ele pode aprimorar ainda mais a eficácia dos diagnósticos in vivo e in vitro. As excelentes propriedades mecânicas e elétricas do nitreto de silício o tornaram um excelente material para a indústria de biossensores.
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Usos dentários: Diferentes propriedades influentes tornaram o Si3N4 perfeito para uso odontológico.
A Sociedade Americana de Cerâmica classificou o nitreto de silício como o "material cerâmico matador" por suas propriedades antibacterianas. Ele pode suprimir a bactéria Porphyromonas gingivalis, que se desenvolve na cavidade oral. Essa bactéria é a causa da doença gengival.
O nitreto de silício pode quebrar a estrutura biológica das bactérias e danificá-las destruindo as moléculas, o DNA e as proteínas das células.
As coroas, pontes e facetas dentárias feitas de nitreto de silício têm a aparência de um dente real. Esses elementos dentários de Si3N4 podem suportar contato repetido com outros dentes e estresse mecânico.
A estabilidade química dos elementos dentários de nitreto de silício resiste à degradação no ambiente bucal causada pela saliva, ácidos e outros produtos químicos. Eles não reagem nem corroem como os materiais, garantindo sua longevidade.
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Possíveis usos futuros: Há grandes chances de uso de nitreto de silício cerâmico em diferentes indústrias. Os campos mais prováveis são aplicações aeroespaciais avançadas, energia nuclear, saúde, biomedicina, eletrônica de alta potência, veículos elétricos, energia renovável e impressão 3D.
Pesquisas e desenvolvimentos mais abrangentes sobre materiais de nitreto de silício tornarão esse uso possível em breve.
Perguntas frequentes
Algumas perguntas frequentes ajudarão você a aprender mais sobre os usos do nitreto de silício. As perguntas mais comuns sobre o assunto são:
Q1: Qual é a utilidade do nitreto de silício na fabricação de CMOS?
O nitreto de silício é usado como camada dielétrica, barreira de oxidação, camada de passivação, camada de parada de corrosão, engenharia de estresse, material espaçador, máscara rígida, etc. na fabricação de CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).
Q2: Qual é a função trabalho do nitreto de silício?
A função trabalho de um material significa a energia mínima necessária para mover um elétron da superfície do material. A função trabalho do nitreto de silício não é fixa. Ela varia de acordo com o ambiente de fabricação e as propriedades do material.
A função de trabalho do nitreto de silício está entre 4,2 eV e 5,2 eV.
Q3: Quais são os usos do nitreto?
Os materiais de nitreto são amplamente utilizados por sua resistência química, alta dureza e estabilidade térmica. Alguns dos materiais de nitreto mais utilizados são nitreto de silício, nitreto de boro, nitreto de lítio, nitreto de titânio e nitreto de gálio.
Esses nitretos são usados em eletrônicos, semicondutores, abrasivos, ferramentas de corte, revestimentos protetores, dispositivos emissores de luz, aeroespacial e indústria automotiva.
Q4: Qual é a densidade do nitreto de silício?
A densidade do nitreto de silício é de 3,17 g/cm³ (grama por centímetro cúbico). Ela pode variar entre 2,37 e 3,25 g/cm³ durante o processo de produção. A densidade do Si3N4 é um parâmetro importante para muitas aplicações, como a física nuclear.
Conclusão: Então, amigos, é hora de resumir! Abordamos os usos importantes do nitreto de silício em diferentes áreas. Espero que tenham gostado da leitura do artigo e acumulado o conhecimento que os auxiliará em suas atividades profissionais.
Continue conectado conosco para continuar aprendendo sobre materiais cerâmicos importantes, suas propriedades e aplicações. Obrigado.