by
admin essence
| mai 20, 2021
Une résistance et une dureté élevées, une excellente stabilité thermique, une bonne résistance à la corrosion et une densité basse: cette combinaison unique de propriétés fait du nitrure de silicium (Si3N4) le matériau idéal pour de nombreuses applications industrielles, de l’automobile à l’électronique en passant par le biomédical. Les recherches sur le Si3N4 ont débuté il y a plus de 60 ans pour accompagner le développement de moteurs à combustion interne entièrement en céramique. Aujourd’hui, les processus de fabrication permettent de traiter ce matériau avec une grande flexibilité et un haut degré de personnalisation pour répondre à un large éventail de demandes.
Pourquoi choisir le Si3N4?
Associant d’excellentes propriétés mécaniques, thermiques et physiochimiques, le Si3N4 est utilisé aussi bien dans des applications traditionnelles que dans des solutions hautement innovantes. Sa légèreté, sa haute résistance à la rupture et à l’usure, ainsi que sa capacité à résister aux environnements les plus exigeants, font du Si3N4 une alternative éprouvée – et parfois même la seule alternative – aux matériaux traditionnels tels que l’acier inoxydable, le carbure de tungstène, les céramiques à base d’oxyde ou le carbure de silicium.
Le potentiel de cette classe polyvalente de céramiques est énorme, mais il est loin d’avoir été entièrement exploité.
Quelques exemples d’utilisation du Si3N4
 |
Patin de glissement pour pompe
à pistons axiaux |
Les céramiques au nitrure de silicium sont employées dans de nombreuses applications telles que les roulements à billes, les outils de découpe de métal ou encore les composants automobiles et aérospatiaux : moteurs diesel, rotors de turbocompresseurs, allumeurs à étincelles... Le Si3N4 a également été adopté par des secteurs d’activité encore plus innovants comme l’électronique et le biomédical.
De par son excellente biocompatibilité, sa haute résistance à la corrosion et à l’usure ainsi que ses propriétés antibactériennes, le Si3N4 est ainsi utilisé dans des composants orthopédiques et des composants d’implants.
Ses propriétés électriques uniques, comme ses propriétés isolantes et sa rigidité diélectrique élevée, combinées à sa conductivité thermique élevée, à sa résistance aux chocs thermiques et à sa résistance mécanique, font du Si3N4 un matériau particulièrement adapté aux composants électroniques.
Industrie médicale
|
Pas de vieillissement hydrothermal
|
Parce qu’il ne souffre pas du vieillissement hydrothermal, le nitrure de silicium n’est pas altéré lors de stérilisations répétées en autoclave. Il convient donc parfaitement à tout type d’instrument médical.
|
|
Couleur grise
|
Naturellement gris, le nitrure de silicium ne nécessite pas de traitement de couleur supplémentaire, ce qui le rend idéal pour la fabrication de composants où la couleur blanche n’est pas recommandée.
|
|
Module de Weibull élevé
|
Statistiquement, la résistance mécanique reste stable entre les composants d’un même lot de production. Le module de Weibull du nitrure de silicium est plus élevé que celui des céramiques traditionnelles, ce qui le rend plus sûr pour les applications médicales.
|
|
Excellente stabilité mécanique à haute température
Faible coefficient de dilatation thermique (CTE)
|
Mécaniquement, le nitrure de silicium reste très stable à haute température. De plus, son coefficient de dilatation est extrêmement bas : ses dimensions restent donc inchangées sur une très large plage de températures.
|
Manipulation des fluides
|
Faible coefficient de dilatation thermique (CTE)
|
Les aspects dimensionnels jouent un rôle clé dans ce type d’application car, si les composants se dilatent, c’est alors l’ensemble du système qui est compromis.
|
|
Conductivité thermique élevée
|
Le nitrure de silicium se distingue par sa haute conductivité thermique, ce qui favorise l’évacuation de la chaleur créée par un frottement élevé ou le transport de fluides chauffés.
|
|
Résistance exceptionnelle au chocs thermiques
|
Pour les applications où les composants céramiques sont soumis à des variations de température très importantes.
|
Horlogerie et joaillerie
|
Couleur grise
|
Afin d’éviter l’aspect plastique de la couleur blanche,les céramiques sont souvent traitées avec des pigments lorsque utilisées sur des produits à haute valeur perçue, ce qui peut cependant affaiblir leurs propriétés mécaniques. Naturellement gris ou de couleur plus foncée, le nitrure de silicium répond au contraire parfaitement aux exigences esthétiques et techniques du secteur horloger et joaillier.
|
|
Faible masse volumique
|
Que ce soit pour des raisons esthétiques ou techniques au sein d’un mouvement, le nitrure de silicium est un choix excellent de par sa faible densité. Il rend en effet le boîtier d’une montre plus léger et plus confortable au poignet. Il permet également au composant d’un mouvement d’avoir moins de perte d’inertie, ce qui rallonge la durée de la réserve de marche.
|
|
Haute résistance à l’usure
Faible coefficient de frottement
|
La résistance à l’usure du nitrure de silicium augmente considérablement la durée de vie des composants de mouvements horlogers. Son faible coefficient de frottement favorise quant à lui le bon fonctionnement des mouvements, en termes de précision comme de réserve de marche.
|
Industrie des machines et équipements
|
Haute résistance à l’usure
|
Le nitrure de silicium permet des découpes de métal à grande vitesse, parce qu’il est hautement résistant à l’usure et qu’il offre une vitesse d’usinage jusqu’à 25 fois supérieure à celle obtenue avec des matériaux conventionnels, tels que le carbure de tungstène.
|
|
Module de Weibull élevé
|
L’utilisation d’un matériau fiable est fondamentale dans les outils de découpe, en particulier lors de cycles prolongés.
|
|
Excellente stabilité mécanique à haute température
|
Sa solidité et sa dureté élevées, combinées à sa résistance aux brusques changements de température, confèrent au nitrure de silicium un avantage par rapport aux céramiques employées traditionnellement dans les outils de coupe, telles que l’alumine.
|
|
Faible masse volumique
|
Le nitrure de silicium présente habituellement une densité de 3,21 g/cm3, ce qui est 2,5 fois inférieur à celle de l’acier et 1,4 fois inférieur à celle des alliages de titane de grade 5.
|
Exploitez tout le potentiel du Si3N4 avec Ceramaret
 |
| Embouts pour endoscopes médicaux |
Le potentiel du Si3N4 saute aux yeux. Et pourtant, cette céramique offre encore tellement de possibilités inexplorées !
En faisant appel à Ceramaret, vous avez l’opportunité d’aller plus loin et de tirer parti de tous les avantages du nitrure de cilicium dans vos applications industrielles. Leader mondial de la conception et du polissage de pièces en céramique de haute précision, Ceramaret emploie un procédé très spécifique pour le traitement du Si3N4 , qui permet d’exploiter au mieux les propriétés du matériau.
Fruit de nombreuses années de recherche et de développement, cette technologie n’impose aucune contrainte en matière de géométrie. Elle rend donc possible la fabrication de composants céramiques extrêmement complexes et très précis.
Pourquoi choisir Ceramaret ?
Grâce à son expertise technique, Ceramaret est à même de travailler aux côtés de ses clients pour concevoir des pièces en céramique de haute précision et, en fonction des propriétés requises, pour les aider à sélectionner le matériau le plus adapté. Impliqué dès le début dans les phases de conception et de développement, Ceramaret peut proposer des solutions techniquement innovantes et compétitives. S’appuyant sur des capacités techniques et des compétences de pointe à l’interne, Ceramaret maîtrise parfaitement la conception d’outils d’exception et peut vous accompagner tout au long du processus de fabrication.
Depuis plusieurs décennies, Ceramaret est un leader mondial dans la conception et le polissage de composants fabriqués à partir des matériaux les plus durs. De l’ingénierie à la gestion des stocks, Ceramaret est réputé pour sa capacité à proposer des solutions complètes et personnalisées. Même sur des volumes de l’ordre de plusieurs millions, chacune de nos pièces est produite avec une extrême précision et adaptée aux applications les plus innovantes.
L’expertise de nos collaborateurs et nos sites de production à la pointe de la technologie représentent un avantage de taille pour nos clients. Nos certifications ISO 9001:2015, ISO14001:2105, ISO45001:2018, ISO13485: 2016, associées à une politique d’amélioration continue, sont une garantie de succès.
Comment fabriquons-nous le Si3N4 ?
 |
| Microstructure typique en aiguilles de la phase beta du nitrure de silicium |
Contrairement aux composants en nitrure de silicium développés précédemment, qui ont été obtenus en faisant réagir de la poudre de silicium avec une atmosphère riche en azote (ce qu’on appelle le nitrure de silicium lié par réaction ou RBSN), les composants en nitrure de silicium fritté nécessitent l’ajout d’agents de frittage. La nature de la liaison chimique entre le silicium et l’azote dans les poudres de Si3N4 rend en effet la densification du matériau par traitement thermique extrêmement difficile, voire impossible, la forte liaison covalente bloquant la diffusion des atomes, pourtant essentielle au frittage. Pour rendre ce dernier possible, il est donc nécessaire d’ajouter des agents de frittage tels que l’alumine, l’oxyde d’yttrium ou le dioxyde de silicium. À la température de frittage, de tels oxydes conduisent à la formation d’une phase liquide qui, par capillarité, permet la densification complète des particules de nitrure de silicium et la formation d’un monolithe fritté. De nos jours, il existe différentes techniques de frittage pour obtenir des composants en nitrure de silicium totalement denses. Le nitrure de silicium pressé à chaud (HPSN), pressé isostatiquement à chaud (HIPSN), fritté sous pression de gaz (GPSN) sont les procédés les plus courants. Ceramaret a, quant à lui, opté pour le frittage sous pression de gaz (GPS). Ce procédé se distingue en effet des autres par sa rentabilité et sa reproductibilité, ainsi que par la qualité du matériau final. Il n’impose aucune contrainte géométrique et correspond ainsi à l’expertise et au positionnement de Ceramaret, traditionnellement reconnu pour sa capacité à produire des composants céramiques complexes et très précis.
 |
| Axes de haute précision et finition de surface pour moteurs et pompes |
L’application d’une pression d’azote permet le frittage des comprimés de poudre de Si
3N
4 à des températures plus élevées, évitant ainsi leur décomposition thermique et favorisant une densification élevée. Il est cependant nécessaire de contrôler précisément les paramètres de frittage pour obtenir des monolithes solides et de haute qualité. Enfin, les températures de frittage plus élevées employées dans le procédé GPS permettent de générer du Si
3N
4 à double microstructure, dans lequel de gros grains allongés sont dispersés dans une matrice à grains fins. Une telle microstructure offre des propriétés mécaniques supérieures. Après des années de recherche et développement, Ceramaret maîtrise aujourd’hui avec précision les conditions de frittage et est capable de fournir des composants de haute qualité.
Parmi ses nombreux produits, Ceramaret peut proposer à ses clients des composants obtenus soit par des méthodes standard de pressage à sec, soit par moulage net-aux-côtes par injection.. Ces méthodes permettent de produire industriellement et à des prix compétitifs des composants à géométrie simple ou complexe, personnalisés comme jamais.
Références:
G. Petzow, M. Herrmann, Silicon Nitride Ceramics, Structure and Bbonsding, vol. 102, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2002.
Robert B. Heimann, Classic and Advanced Ceramics: From Fundamentals to Applications, 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Branko Matovic, Low Temperature Sintering Additives for Silicon Nitride, Dissertation an der Universität Stuttgart, Bericht Nr. 137 August 2003
Frank L. Riley, Silicon Nitride and Related Materials, J. Am. Ceram. Soc., 83 [2] 245–65 (2000)
Saurabh Lal et al., Biological Impact of Silicon Nitride for Orthopaedic Applications: Role of Particle Size, Surface Composition and Donor Variation, www.nature.com/scientificreports, 2018
Cet article vous a convaincu des avantages du nitrure de silicium? Vous aimeriez savoir comment l’employer pour réaliser des composants innovants et de très haute qualité ? Demandez conseil à nos spécialistes. Impliqués dès la phase de conception et grâce à notre expérience technique inégalée, nous vous aidons à concevoir des pièces en nitrure de silicium solides, fiables et ultra-sophistiquées.
Contactez-nous