Gass presure sintered Si3N4 – MgSiN2 composites

Materiales compuestos Si3N4 - MgSiN2 sinterizados por presión de gas

Los materiales compuestos cerámicos basados en Si₃N₄ y MgSiN₂ presentan excelentes propiedades termofísicas y mecánicas, aunque sus aplicaciones industriales son limitadas. En este artículo se describe la preparación de materiales compuestos de Si₃N₄/ MgSiN₂ mediante sinterización por presión de gas (GPS) y se caracterizan algunas de sus propiedades mecánicas, como la dureza Vickers y la fractura por indentación, y se comparan con muestras prensadas en caliente (HP). La dureza de 15,3 GPa y la tenacidad a la fractura de 7,6 MPa∙m^1/2 de los materiales compuestos obtenidos por GPS fueron ligeramente inferiores a las de las muestras HP (16,5 GPa, 8 MPa∙m^1/2).

INTRODUCCIÓN

Las cerámicas basadas en nitruro de silicio se estudian intensamente desde hace más de 40 años como materiales de ingeniería debido a sus excelentes propiedades mecánicas [1]. Las cerámicas policristalinas Si₃ N₄ tienen una alta resistencia (800 - 1 200 MPa), tenacidad a la fractura (6 - 10 MPa×m^1/2) y buena resistencia a la fluencia. La dureza del β - Si₃ N₄ es de 14 - 16 GPa, mientras que la dureza del a - Si₃ N₄ , es superior, 21 GPa [2]. A pesar de estas buenas propiedades mecánicas, sigue habiendo un gran interés por mejorar algunas propiedades de la cerámica Si₃ N₄ y, especialmente, por disminuir el precio de los productos cerámicos y promover una aplicación industrial más amplia de este material [3].

El nitruro de magnesio y silicio (MgSiN₂ ) se ha estudiado intensamente en los últimos años como material alternativo para los sustratos de los circuitos integrados debido a su buena conductividad térmica y alta resistencia eléctrica [4]. El MgSiN₂ tiene una dureza elevada (20 GPa), una resistencia razonable (280 MPa) y una tenacidad a la fractura (3 MPa×m^1/2), lo que lo hace adecuado para algunas aplicaciones de ingeniería [5]. En este trabajo se prepararon materiales compuestos de Si₃ N₄ - MgSiN₂ mediante dos métodos de sinterización diferentes, por sinterización a presión de gas (GPS) y por prensado en caliente (HP) y se evaluaron sus propiedades mecánicas. Aunque el HP es el método de sinterización más eficaz para la preparación de compuestos cerámicos densos, la variedad de formas de los productos es limitada. Por esta razón, también se probó el método GPS, que permite la sinterización de cerámicas con formas complicadas y es más adecuado para aplicaciones industriales.

MÉTODO EXPERIMENTAL

El polvo de MgSiN₂ no está disponible en el mercado, por lo que se preparó en laboratorio a partir de la mezcla de Mg₂ Si (99 %, Kojundo Chem. Lab., Japón), a - Si₃ N₄ (grado SN-E10, Ube Industries Ltd., Japón) y Si (99,9 %, Kojundo Chem. Lab., Japón).