Os átomos das cerámicas de nitruro de silicio están unidos entre si por fortes ligazóns covalentes, unha propiedade inherente que fai que esta cerámica inorgánica non metálica sexa moi difícil de sinterizar de forma densa. Durante o procesamento, non só debe soportar un ambiente de alta temperatura superior a 1800 ℃, senón que tamén necesita manter a presión de sinterización durante moito tempo. O ambiente extremo de procesamento tende a causar poros internos e problemas de fisuración no corpo verde, debilitando directamente o rendemento mecánico do material e a súa fiabilidade funcional xeral. Para resolver este problema de preparación, a industria desenvolveu varios procesos de sinterización diferentes.
1. Sinterización sen presión
No proceso de preparación do nitruro de silicio mediante sinterización a presión atmosférica, existe unha contradición central: o proceso de densificación do material compite coa reacción de descomposición a alta temperatura do nitruro de silicio. Este problema fíxose máis acusado no sistema de formulación que inclúe aditivos base de magnesio. Para mellorar o efecto de densificación do corpo verde en condicións atmosféricas, a industria emprega óxido de itrio combinado con óxido de magnesio, ou ben óxido de itrio, óxido de aluminio e nitruro de aluminio en combinación como compoñentes auxiliares de sinterización para preparar nitruro de silicio. Tras ampla verificación, as dúas formulacións de óxido de itrio + óxido de aluminio e óxido de itrio + óxido de magnesio converteronse nas opcións principais no mercado. Este proceso aínda non se aplicou amplamente nos campos especializados de compósitos. Non obstante, sempre que se combine con técnicas de procesamento adecuadas e ensaios non destructivos para eliminar defectos internos, os compoñentes de nitruro de silicio producidos mediante sinterización a presión atmosférica poden empregarse como accesorios para equipos de alta confiabilidade.
2. Sinterización por reacción (RBSN)
A produción de nitruro de silicio sinterizado por reacción poroso comeza coa preparación de prensas cerámicas a partir de po fino de silicio despois dun tratamento de compresión. As prensas colócanse nunha atmosfera de nitróxeno ou amoníaco e quéntanse continuamente nun intervalo de temperatura de 1000 - 1450 °C. Durante este proceso, o po de silicio experimenta unha reacción de nitridación, dando lugar a unha fase cristalina mixta composta por α-Si3N4 e β-Si3N4. Este proceso de nitridación provoca unha expansión volumétrica de aproximadamente o 22 %, pero os baleiros deixados entre as partículas da prensa poden contrarrestar este efecto de expansión. Durante o proceso de sinterización, o tamaño da prensa case non sufre deformación por contracción. Debido a esta característica de mantemento dun tamaño constante, este proceso é moi adecuado para a fabricación de bloques cerámicos de forma especial, casquillos de forma especial e bases de separadores intervertebrais. Despois da sinterización, non se require ulterior mecanizado con ferramentas de diamante, e presenta importantes vantaxes de custo. Aínda que a porosidade do produto final permaneza no 20 % - 30 %, estes compoñentes conservan excelentes propiedades mecánicas, cunha resistencia á flexión de até 350 MPa.
3. Sinterización por prensado en quente (HP)
O proceso de sinterización por prensado en quente non pode densificar a preforma de nitruro de silicio sen engadir aditivos. Por tanto, mestúranse no sistema en pó materiais base de magnesio, como óxido de magnesio e nitruro de magnesio, como axudantes de sinterización. A cantidade óptima de aditivos engadidos debe controlarse preferentemente nun intervalo do 3,3 ao 5,0 % en peso. Durante o procesamento, aplícase á preforma unha presión mecánica de 23 MPa e establécese a temperatura de sinterización en 1800±50 ℃, cun tempo de permanencia de 4 a 18 minutos. Este proceso pode producir pezas cerámicas densas cunha densidade relativa superior ao 99,9 %, e a resistencia á flexión do produto final pode acadar 690±20 MPa. Grazas á súa densidade extremadamente elevada, o proceso de sinterización por prensado en quente pode empregarse para fabricar produtos con requisitos mecánicos rigorosos, como rodamientos de nitruro de silicio, varillas cerámicas de nitruro de silicio e bólas resistentes ao desgaste de nitruro de silicio. Esta solución tamén se implementou na industrialización.
4. Sinterización por presión de gas (GPS)
A función principal do proceso de sinterización por presión é resolver o problema industrial da descomposición fácil do nitruro de silicio durante a sinterización a alta temperatura. Este proceso consegue isto introducindo gas nitróxeno a alta presión na cámara de sinterización, creando unha atmosfera protectora a alta presión, que invirte e inibe eficazmente a reacción de descomposición do nitruro de silicio a alta temperatura, garantindo a integridade estrutural e o rendemento estable do preformado durante o proceso de densificación a alta temperatura. Co excelente efecto de densificación e estabilidade do material, o proceso de sinterización por presión pode producir cruceis de nitruro de silicio resistentes ao calor en gran escala e tubos cerámicos longos de nitruro de silicio, así como outros compoñentes estruturais de alta precisión e resistentes ao calor. Os produtos de nitruro de silicio preparados mediante este proceso teñen un rendemento global moi semellante ao dos producidos polos procesos de sinterización convencionais e presentan un excelente rendemento integral, ofrecendo amplas perspectivas de aplicación industrial.
5. Reacción de sinterización combinada con nitruro de silicio (SRBSN)
Para mellorar o comportamento de sinterización dos corpos verdes, engádense ao material en bruto de pó de silicio óxidos auxiliares de sinterización: alumina, sílice e óxido de calcio. O proceso completo de preparación divídese en dúas etapas de aquecemento. En primeiro lugar, nunha atmosfera que contén hidróxeno ou argón e nitróxeno, lévase a cabo unha reacción de nitridación a longo prazo a 1400 ℃, cunha duración de 150 a 300 horas. Unha vez rematada a nitridación, o material trasládase a un ambiente de sinterización de alta presión, onde se manteña nun intervalo de temperatura de 1700 a 1950 ℃ durante 1 a 2 horas. A presión do gas nitróxeno no ambiente axústase para que estea no intervalo de 0,21 a 2,1 MPa. Mediante este proceso, a densidade dos corpos verdes pode superar o 86 % da densidade teórica. Se a presión do gas nitróxeno no interior da cámara de sinterización se incrementa adicionalmente por riba dos 10 MPa, a densidade dos corpos verdes pode elevarse ata o 98 % do valor teórico, e a resistencia á flexión dos compoñentes tamén pode acadar os 750 MPa. Con boa precisión na formación e custos de procesamento controlables, este proceso pode empregarse para producir aneis cerámicos de nitruro de silicio de uso intensivo e placas cerámicas de nitruro de silicio de grandes dimensións. Tras a modificación mediante densificación, as propiedades físicas e mecánicas destes compoñentes xa son capaces de igualar o rendemento das pezas comerciais de nitruro de silicio sinterizado de alto rendemento.
6. Sinterización por descarga de plasma (SPS)
O proceso de sinterización por descarga de plasma basease na acción directa dunha corrente pulsada sobre o compacto en po e utiliza o calecemento por resistencia para aumentar rapidamente a temperatura do compacto. Pode lograr unha solidificación densa sen necesidade de manter temperaturas elevadas durante períodos prolongados. Este modo de procesamento a alta temperatura e de curta duración pode inhibir o crecemento continuo dos grans cristalinos, evitar transformacións de fase anómalas, conservar a fina estrutura microcristalina do material e permitir que os compoñentes adquiran propiedades mecánicas máis excelentes. Este proceso é adecuado para procesar láminas cerámicas ultrafinas de nitruro de silicio e pasadores de posicionamento miniatura de nitruro de silicio, que son pezas pequenas de precisión. En comparación cos esquemas convencionais de sinterización, todo o proceso leva menos tempo, o ritmo de procesamento é máis rápido e pode reducir considerablemente o ciclo total de procesamento dos compoñentes de nitruro de silicio.
EN
