Quatre principaux domaines d’application des céramiques de nitrure de silicium
Domaine mécanique
Les céramiques de nitrure de silicium sont principalement utilisées comme vannes, tuyaux, roues de classification et outils de coupe en céramique dans l’industrie mécanique. L’application la plus répandue est celle des billes de roulement en céramique de nitrure de silicium. Ces céramiques sont largement reconnues comme le meilleur matériau pour les roulements, et les billes de roulement en céramique de nitrure de silicium, éléments essentiels des roulements, sont de véritables « héros méconnus » qui contribuent aux performances des équipements. Ces petites billes de céramique, dont le diamètre varie de quelques millimètres à plusieurs dizaines de millimètres, peuvent paraître insignifiantes, mais grâce à leurs propriétés de légèreté, de dureté, de stabilité et d’isolation, elles jouent un rôle clé dans les véhicules à énergie nouvelle, les patins à roulettes, les fraises dentaires et même les vélos haut de gamme.
Domaine aérospatial
Les matériaux céramiques de nitrure de silicium présentent des avantages tels qu’une résistance élevée, une résistance aux hautes températures et une bonne stabilité chimique, ce qui leur permet de répondre aux exigences strictes des matériaux dans le domaine aérospatial. Les céramiques de nitrure de silicium ont deux applications classiques dans ce domaine : premièrement, le nitrure de silicium est considéré comme l’un des rares matériaux céramiques monolithiques capables de résister aux chocs thermiques et aux gradients de température importants générés par les moteurs de fusée à hydrogène/oxygène, et est utilisé dans les tuyères de moteurs de fusée ; deuxièmement, les excellentes propriétés des céramiques de nitrure de silicium et de leurs composites, telles que la résistance à la chaleur, la transmission des ondes et la capacité portante, en font l’un des matériaux de transmission d’ondes haute performance de nouvelle génération actuellement en cours de recherche.
Domaine des semi-conducteurs
Avec la miniaturisation et l’amélioration des performances des dispositifs électroniques, l’encapsulation des semi-conducteurs exige des matériaux de dissipation thermique toujours plus performants. Les céramiques de nitrure de silicium présentent une conductivité thermique allant jusqu’à 90-120 W/(m·K) et une excellente compatibilité avec le coefficient de dilatation thermique des cristaux de substrat SiC des semi-conducteurs de troisième génération, ce qui en fait le matériau de prédilection pour les substrats d’encapsulation des dispositifs de puissance SiC. À l’échelle internationale, des entreprises japonaises telles que Toshiba et Kyocera dominent le marché, tandis que des entreprises chinoises comme Sinoma Advanced Materials ont réalisé des percées technologiques.
Outre leur rôle de matériau d’encapsulation clé, les céramiques de nitrure de silicium présentent de vastes perspectives d’application dans les équipements de fabrication de semi-conducteurs. Dans le processus de traitement des plaquettes, les céramiques de nitrure de silicium peuvent être utilisées pour fabriquer des éléments chauffants résistants aux hautes températures et aux chocs thermiques, répondant ainsi aux conditions de fonctionnement rigoureuses d’équipements tels que les fours CVD (dépôt chimique en phase vapeur) et les fours de diffusion. Domaine biomédical
En tant que biomatériau céramique émergent, le nitrure de silicium présente un grand potentiel d’application dans les implants médicaux grâce à ses excellentes propriétés mécaniques et sa biocompatibilité. Plus précisément, le nitrure de silicium a été utilisé comme biomatériau orthopédique et appliqué avec succès dans les composants porteurs des prothèses de hanche et de genou afin d’améliorer leur résistance à l’usure et de prolonger leur durée de vie. De plus, les matériaux à base de nitrure de silicium ont été utilisés pour favoriser la fusion osseuse en chirurgie rachidienne. Les céramiques de nitrure de silicium font preuve d’une excellente stabilité et fiabilité dans le domaine médical. Le nitrure de silicium présente également une forte adhérence cellulaire et une ostéoconductivité, offrant ainsi une base biologique importante pour son application en réparation osseuse. Cependant, la fragilité inhérente des céramiques de nitrure de silicium reste un défi majeur pour leur utilisation en ingénierie de réparation osseuse. Par ailleurs, les matériaux à base de nitrure de silicium sont difficiles à dégrader in vivo, ce qui entrave la croissance de nouveau tissu osseux au niveau du site de réparation et son remplacement complet du matériau de réparation initial, limitant ainsi l’étendue de ses applications cliniques.