A origem e o desenvolvimento da cerâmica de nitreto de silício
Snitreto de silício (Si3N4)é um composto covalente composto de silício e nitrogênio, descoberto em 1857. Em seus primórdios, alguns estudiosos, principalmente na Alemanha, não estavam completamente convencidos de sua composição química. No entanto, extensas pesquisas confirmaram posteriormente a exatidão desta fórmula química, que é amplamente citada até hoje. No entanto, durante mais de um século após a sua descoberta, os materiais de nitreto de silício não tiveram aplicações generalizadas.
A forma cerâmica do nitreto de silíciofoi desenvolvido pela primeira vez no Reino Unido. Este material cerâmico foi produzido pela primeira vez em 1955 e foi usado principalmente em tubos de termopar, cadinhos de metal fundido e bicos de foguete. Este tipo de material é produzido pressionando o pó de silício metálico em forma e, em seguida, nitretando-o por aquecimento e exposição ao gás nitrogênio, mais tarde referido como nitreto de silício ligado por reação. Devido à presença de cerca de 25% de porosidade no nitreto de silício ligado por reação, faltava-lhe a alta densidade necessária para exibir as propriedades superiores de resistência e dureza dos materiais de nitreto de silício.
Em 1960, Parr, Martin, May e outros publicaram uma revisão abrangente das propriedades e estrutura do nitreto de silício ligado por reação, descrevendo as técnicas que desenvolveram. Essas técnicas forneceram suporte técnico significativo para o desenvolvimento subsequente de cerâmicas de nitreto de silício.
Na década de 1970, os Estados Unidos iniciaram um programa de desenvolvimento de materiais de nitreto de silício em larga escala. O Departamento de Defesa dos EUA iniciou um projeto de desenvolvimento de cinco anos em colaboração com a Ford Motor Company e a Westinghouse Electric Corporation em 1971. O projeto visava explorar a viabilidade do uso de nitreto de silício como substituto para materiais de motor tradicionais e desenvolver motores de turbina a gás cerâmicos. . No início do projeto, reconheceu-se que a sinterização sob pressão convencional estava limitada à produção de formas simples de nitreto de silício, enquanto os componentes do motor de turbina a gás eram complexos. Portanto, a aplicação de materiais cerâmicos em motores só seria possível se o processo de fabricação da cerâmica de nitreto de silício fosse aprimorado.
Em 1976, Terwilliger e Lange descobriram acidentalmente que o pó de nitreto de silício poderia ser sinterizado sem aplicação de pressão mecânica. Eles conduziram experimentos de prensagem a quente em pó de magnésio e nitreto de silício dopado com oxigênio em temperaturas acima do normal. Mesmo sem pressão convencional, os cilindros de pó de nitreto de silício ainda apresentavam encolhimento significativo. Concluiu-se que no espaço limitado do molde de grafite, a perda por evaporação do nitreto de silício foi inibida, permitindo a densificação geral. Esta descoberta marcou um passo importante no desenvolvimento de cerâmicas de nitreto de silício de alta densidade e levou ao desenvolvimento de nitreto de silício sinterizado sem pressão.
Durante a sinterização em alta temperatura, a decomposição do nitreto de silício é significativa e não pode ser suprimida de forma eficaz pelo simples empacotamento de pó. Portanto, a sinterização sob pressão de nitreto de silício foi desenvolvida. Em 1976, a Mitomo do Japão relatou uma pesquisa sobre a sinterização de cerâmica Si3N4 sob pressão de nitrogênio de 10 atm em temperaturas variando de 1450°C a 1900°C. Este foi o primeiro método de sinterização sob pressão de cerâmica de nitreto de silício.
As várias técnicas de sinterização mencionadas acima são os resultados bem-sucedidos de gerações de esforços incansáveis de pesquisadores de cerâmica para abordar diferentes aplicações de engenharia da cerâmica de nitreto de silício. Recentemente, tecnologias emergentes como a sinterização por plasma spark e a sinterização por microondas abriram novos caminhos para a aplicação de nitreto de silício.
Em termos de aplicações, seja em foguetes que voam para o espaço ou em carros correndo em rodovias, ou em ferramentas de corte indestrutíveis e ossos artificiais robustos,cerâmica de nitreto de silíciotornaram-se um material-chave indispensável na tecnologia industrial, particularmente em campos de tecnologia avançada. Representa uma das principais direções no desenvolvimento da moderna ciência dos materiais.
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