Les céramiques de nitrure de silicium sont un nouveau type de matériau céramique qui, en raison de leurs propriétés et fonctions uniques, sont devenues une partie intégrante de la science et de la technologie avancées modernes. En tant que nouveau matériau céramique, les céramiques de nitrure de silicium figurent parmi les céramiques structurelles présentant les performances les plus remarquables. Elles sont considérées comme l'un des matériaux céramiques structurels haute température les plus prometteurs pour le développement et les applications futurs.

• Ultra-Haute Résistance : Les céramiques en nitrure de silicium présentent une résistance nettement supérieure par rapport aux céramiques conventionnelles.

• Haute dureté : Leur dureté atteint HRA91-93.

Stabilité thermique : Ils sont résistants à l'oxydation à des températures allant jusqu'à 1400°C.

Excellente résistance aux chocs thermiques : Ces céramiques peuvent supporter des changements rapides de température sans se fissurer ni s'endommager.

Excellente résistance à l'usure : Les céramiques de nitrure de silicium offrent une durabilité supérieure contre l'abrasion.

Propriétés auto-lubrifiantes : Ils présentent une bonne auto-lubrification, réduisant ainsi le besoin de lubrifiants externes.

Isolation exceptionnelle : Ces céramiques offrent une excellente isolation électrique.

• Haute conductivité thermique : Ils transfèrent efficacement la chaleur, ce qui les rend adaptés aux applications haute performance.

Comparé à d'autres matériaux céramiques, les céramiques de nitrure de silicium possèdent de nombreuses propriétés supérieures, telles qu'une conductivité thermique théorique élevée et une excellente stabilité chimique. Ces caractéristiques en font un matériau très prometteur pour la dissipation de chaleur et l'emballage dans les circuits haute vitesse et les dispositifs haute puissance. Ils sont censés résoudre les limitations des matériaux de substrat existants tels que l'alumine et le nitrure d'aluminium, montrant un potentiel de marché significatif dans les dispositifs semi-conducteurs haut de gamme, en particulier en tant que substrats pour les composants semi-conducteurs haute puissance.

Les substrats en céramique de nitrure de silicium sont utilisés dans une variété d'applications haute performance en raison de leur excellente conductivité thermique, de leur haute résistance et de leur stabilité dans des conditions extrêmes. Ces substrats sont idéaux pour une utilisation dans les dispositifs électroniques haute puissance, offrant une dissipation efficace de la chaleur et une isolation électrique. Ils sont particulièrement précieux dans l'industrie des semi-conducteurs, où ils peuvent être utilisés comme matériaux de base pour l'électronique de puissance avancée, les LED et autres composants haute performance. Les substrats en nitrure de silicium offrent une fiabilité et une longévité améliorées par rapport aux matériaux traditionnels tels que l'alumine ou le nitrure d'aluminium, ce qui en fait un matériau clé pour les technologies de nouvelle génération.

En raison des excellentes propriétés des céramiques au nitrure de silicium, y compris la résistance à la corrosion des métaux non ferreux, la stabilité à haute température, la résistance à l'usure super-dure, l'auto-lubrification, la résistance aux chocs thermiques et la résistance au fluage à haute température, elles sont idéales pour une utilisation dans diverses applications métallurgiques. Cela inclut la fabrication de tubes de protection de thermocouple pour mesurer la température de l'aluminium fondu, des bagues de séparation du fer, des couvercles de débitmètre, des débitmètres de zinc, des pompes électromagnétiques pour liquide d'aluminium et des creusets d'aluminium sous vide, ainsi que d'autres composants spécialisés.

L'industrie aérospatiale a des exigences très strictes en matière de performance des matériaux. Le nitrure de silicium, avec sa résistance à haute température, sa bonne ténacité à la rupture, sa dureté élevée, sa haute résistance diélectrique, son excellente résistance aux chocs thermiques et ses propriétés tribologiques, en fait un excellent choix pour les applications aérospatiales. Il garantit une fiabilité mécanique exceptionnelle, une résistance à l'usure et une durabilité.

Roulements

En raison de l'ultra-dureté, de la résistance à l'usure et des propriétés autolubrifiantes des céramiques de nitrure de silicium, les roulements fabriqués à partir de ce matériau augmentent significativement la durée de vie par rapport aux alliages de roulements traditionnels et aux aciers de roulement. De plus, étant donné que les céramiques de nitrure de silicium ont un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible, l'écartement de l'ensemble de roulement peut être réduit, le rendant adapté aux roulements ultra-précis et aux roulements haute température. Sa forte résistance à la corrosion le rend également adapté aux roulements spéciaux travaillant dans des environnements hautement corrosifs.

Vannes et pipelines

Les vannes et les pipelines traditionnels sont fabriqués à partir de matériaux tels que l'acier inoxydable, le nylon, les plastiques et la fonte. Cependant, en raison d'une résistance insuffisante à la température, à la corrosion et à l'usure, ils rencontrent souvent des problèmes tels que les fuites, ce qui affecte gravement l'efficacité du transport des fluides. L'utilisation de céramiques de nitrure de silicium peut grandement prolonger la durée de vie, économiser du temps de maintenance et réduire les coûts de production.

Outils de coupe en céramique

Les matériaux d'outils de coupe en céramique ont une dureté incomparable, une haute stabilité chimique et des coefficients de frottement faibles, offrant de vastes perspectives d'application dans le domaine de la coupe. Ces outils permettent une coupe à haute vitesse, réduisent la fréquence de remplacement des outils et minimisent les erreurs dimensionnelles causées par l'usure des outils, offrant des avantages significatifs dans les machines CNC et les centres d'usinage.

Les céramiques de nitrure de silicium, étant des composés covalents, reposent sur des liaisons covalentes entre les atomes, ce qui leur confère une grande dureté et une résistance à l'usure. La dureté du nitrure de silicium n'est surpassée que par le diamant et le nitrure de bore cubique, et son faible coefficient de friction et ses propriétés auto-lubrifiantes le rendent idéal pour le broyage fin. Par rapport aux médias de broyage traditionnels, les billes de broyage en céramique de nitrure de silicium ont une dureté plus élevée et une meilleure résistance à l'usure, ce qui les rend supérieures dans des industries comme la poudre ultrafine et la transformation alimentaire.

Les céramiques de nitrure de silicium poreux ont une grande surface spécifique, une haute résistance, une excellente résistance aux chocs thermiques et une bonne stabilité chimique, ce qui les rend adaptées en tant que supports de catalyseurs. Par exemple, l'utilisation du nitrure de silicium comme matériau de support dans les catalyseurs de purification des gaz d'échappement automobiles est devenue populaire. Les structures en nid d'abeille sont couramment fabriquées à partir de matériaux tels que la cordiérite, l'alumine et le nitrure de silicium. Actuellement, le développement de supports céramiques poreux à haute efficacité et respectueux de l'environnement est un axe clé des efforts nationaux de recherche et développement.

Les matériaux en nitrure de silicium poreux ont une haute résistance mécanique, ce qui leur permet de supporter de grandes différences de pression. Ils sont également hautement résistants aux hautes températures, avec une excellente stabilité thermique, ce qui les rend adaptés à la filtration de gaz à haute température, avec des températures de fonctionnement dépassant 1000°C. De plus, ils ont une excellente conductivité thermique, un faible coefficient de dilatation thermique et une haute efficacité de filtration, ce qui les rend idéaux pour filtrer les gaz toxiques et adsorber les substances dangereuses dans les applications industrielles, jouant ainsi un rôle significatif dans la réduction de la pollution atmosphérique.

Les matériaux de communication aérospatiale (radômes d'antenne) protègent les engins spatiaux des conditions environnementales difficiles et garantissent le bon fonctionnement des systèmes tels que les communications, la télémétrie, les détonateurs et le guidage. Les céramiques de nitrure de silicium poreux ont une constante diélectrique faible, une faible perte diélectrique, une faible densité, une excellente isolation et une bonne résistance. Ces caractéristiques, ainsi que leur longue durée de vie, font du nitrure de silicium un matériau prometteur pour les radômes aérospatiaux, avec une absorption des ondes radar plus faible par rapport à d'autres matériaux céramiques.

Le développement des moteurs en céramique est un objectif majeur de la recherche en céramique structurale à haute température et l'une de ses applications les plus importantes. Les composants du moteur fonctionnent généralement dans des conditions extrêmes de températures élevées et de vitesses élevées, que les métaux ordinaires ou les polymères ne peuvent pas supporter. Même les alliages à haute température ne peuvent fonctionner qu'à des températures allant jusqu'à 1050°C et ont une efficacité relativement faible. Les moteurs en céramique de nitrure de silicium, cependant, peuvent fonctionner à des températures allant de 1200°C à 1650°C, améliorant les performances du moteur, augmentant l'efficacité de la combustion et préservant l'énergie.

Les céramiques de nitrure de silicium sont connues pour leur excellente résistance à l'usure, leur résistance à la corrosion et leur résistance à l'oxydation à haute température, ce qui les rend adaptées à divers composants tels que les joints mécaniques, les vannes, les conteneurs de métal en fusion, les rouleaux, les roulements à haute vitesse, les matrices d'étirage de métal, les matrices d'extrusion, et plus encore. Elles sont largement utilisées dans des industries telles que la mécanique, l'acier, la métallurgie, le génie chimique et l'aérospatiale. La part de marché dans ces secteurs à l'étranger est d'environ dix fois plus importante que sur le marché intérieur, qui devrait atteindre 10 milliards de yuans.

Les céramiques de nitrure de silicium sont principalement étudiées, développées et appliquées en tant que matériaux structuraux et d'ingénierie à haute température. La demande intérieure annuelle de céramiques spéciales au nitrure dépasse 270 000 tonnes, tandis que la production intérieure est d'environ 100 000 tonnes. En tant que renforçateur d'azote dans les aciers structuraux, le nitrure de silicium peut améliorer les performances globales de l'acier, la demande annuelle intérieure dépassant 60 000 tonnes. Dans la production d'acier, la demande en matériaux réfractaires dépasse 100 000 tonnes. Pour le traitement approfondi des matières premières telles que les roulements en nitrure de silicium, les boîtiers de moteur et les outils de coupe, la demande annuelle est d'environ 60 000 tonnes.

Dans l'ensemble, la demande du marché intérieur est importante. En général, pour chaque 10 000 tonnes d'acier produites, 1 tonne d'alliages durs est consommée. La croissance des alliages durs seuls est insuffisante, donc la demande de céramiques spéciales de nitrure augmentera inévitablement. Actuellement, le marché intérieur ne peut produire qu'un petit nombre d'outils en céramique pressée à chaud de forme simple, et ne peut pas répondre à la demande d'outils avec des trous centraux et des rainures de coupe, ne parvenant pas à satisfaire les besoins du marché.