SILICIJEV NITRID (SI3N4): STRUKTURA, LASTNOSTI, PROIZVODNJA, UPORABE - KEMIJA - 2026

Silicijev nitrid je anorganska spojina, sestavljena iz dušika (N) in silicija (Si). Njegova kemijska formula je Si ₃ N ₄ . Je svetlo siv ali svetlo siv material izjemne trdote in odpornosti na visoke temperature.

Silicijev nitrid se zaradi svojih lastnosti uporablja v aplikacijah, kjer je potrebna visoka odpornost proti obrabi in visoke temperature. Na primer, uporablja se za izdelavo rezalnega orodja in krogličnih ležajev.

Sfera silicijevega nitrida Si ₃ N ₄ . Lucasbosch. Vir: Wikimedia Commons.

Uporablja se v delih strojev, ki se morajo upirati visokim mehanskim silam, kot so turbinski rezili, ki so kot veliki cilindri, pri katerih se morajo rezila vrteti z veliko hitrostjo s prehodom vode ali plinov, pri čemer pridobivajo energijo.

Keramika iz silicijevega nitrida se uporablja za izdelavo delov, ki morajo biti v stiku s staljenimi kovinami. Uporabljajo se lahko tudi kot nadomestilo za človeške ali živalske kosti.

Si ₃ N ₄ ima električne izolacijske lastnosti, torej ne prenaša električne energije. Zato se lahko uporablja v mikroelektronskih aplikacijah ali v zelo majhnih elektronskih napravah.

Struktura

V silicijevem nitridu je vsak silicijev atom (Si) kovalentno vezan s 4 dušikovimi atomi (N). Nasprotno, vsak dušikov atom je vezan na 3 atome silicija.

Zato so vezi zelo močne in dajejo spojini visoko stabilnost.

Lewisova struktura silicijevega nitrida Si ₃ N ₄ . Grasso Luigi. Vir: Wikimedia Commons.

Tridimenzionalna struktura silicijevega nitrida Si ₃ N ₄ . Siva = silicij; modra = dušik. Grasso Luigi. Vir: Wikimedia Commons.

Silicijev nitrid ima tri kristalne strukture: alfa (α-Si ₃ N ₄ ), beta (β-Si ₃ N ₄ ) in gama (γ-Si ₃ N ₄ ). Alfa in beta sta najpogostejša. Gama se pridobiva pri visokih tlakih in temperaturah in je najtežja.

Nomenklatura

• Silicijev nitrid
• Trizilikonov tetranitrid

Lastnosti

Fizično stanje

Trdna svetlo siva.

Molekularna teža

140,28 g / mol

Tališče

1900 ºC

Gostota

3,44 g / cm ³

Topnost

Netopen v vodi. Topen v HF fluorovodikovi kislini.

Kemijske lastnosti

To je zelo stabilna spojina, ker se atomi silicija in dušika vežejo v Si ₃ N _4.

Silicijev nitrid ima odlično odpornost na klorovodikovo (HCl) in žveplovo (H ₂ SO ₄ ) kisline . Zelo je odporen tudi na oksidacijo. Odporen je na liti aluminij in njegove zlitine.

Druge lastnosti

Ima dobro odpornost na toplotni udar, visoko zadrževanje trdote pri povišanih temperaturah, odlično odpornost proti eroziji in obrabi ter odlično odpornost proti koroziji.

Ima izjemno trdoto, ki omogoča nanašanje tankih debelin materiala. Svoje lastnosti ohranja pri visokih temperaturah.

Filmi iz silicijevega nitrida so odlične ovire pri difuziji vode, kisika in kovin, tudi pri visokih temperaturah. So zelo trdi in imajo visoko dielektrično konstanto, kar pomeni, da slabo vodijo elektriko in tako delujejo kot električni izolator.

Zaradi vseh teh razlogov je primeren material za visoke temperature in visoke mehanske obremenitve.

Pridobitev

To je mogoče dobiti izhajajoč iz reakcije med amoniaka (NH ₃ ) in silicijevega klorida (SiCl ₄ ), pri kateri silicij amid Si (NH ₂ ) _{je 4 proizvedene,} ki ob segrevali tvori imid in nato silicijevega nitrida Si ₃ N ₄ .

Reakcijo lahko povzamemo na naslednji način:

Silicijev klorid + amonijak → silicijev nitrid + klorovodikova kislina

3 SiCl ₄ (plin) + 4 NH ₃ (plin) → Si ₃ N ₄ (trdna snov) + 12 HCl (plin)

Prav tako se proizvaja z obdelavo kompaktnega praškastega silicija (Si) z dušikovim plinom (N ₂ ) pri temperaturah 1200-1400 ° C. Vendar ima ta material 20-30% mikroporoznost, ki omejuje njegovo mehansko trdnost.

3 Si (trdna) + 2 N ₂ (plin) → Si ₃ N ₄ (trdna)

Zaradi tega je prašek Si ₃ N ₄ sintran, da nastane gostejša keramika, kar pomeni, da je prah izpostavljen visokemu tlaku in temperaturi.

Prijave

Na področju elektronike

Silicijev nitrid se pogosto uporablja kot pasivizacijski ali zaščitni sloj v integriranih vezjih in mikromehanskih strukturah.

Integrirano vezje je struktura, ki vsebuje elektronske komponente, potrebne za izvajanje nekaterih funkcij. Imenujejo ga tudi čip ali mikročip.

Silicijev nitrid Si ₃ N ₄ se uporablja pri izdelavi mikročipov. Prvotni pošiljatelj je bil Zephyris na angleški Wikipediji. . Vir: Wikimedia Commons.

Si ₃ N ₄ ima odlično odpornost proti difuziji vode, kisika in kovin, kot je natrij, zato služi kot izolacijska plast ali pregrada.

Uporablja se tudi kot dielektrični material, to pomeni, da je slab prevodnik električne energije, zato deluje kot izolator zanjo.

To služi za mikroelektronske in fotonske aplikacije (generiranje in zaznavanje svetlobnih valov). Uporablja se kot tanek sloj v optičnih prevlekah.

Je najpogostejši dielektrični material, ki se uporablja v kondenzatorjih za dinamični pomnilnik z naključnim dostopom ali DRAM (Dynamic Random Access Memory), ki se uporablja v računalnikih.

Pomnilnik DRAM, ki se uporablja v računalnikih oz. Lahko vsebuje silicijev nitrid. Victorrocha. Vir: Wikimedia Commons.

V keramičnih materialih

Silicijeva nitridna keramika ima lastnosti visoke trdote in odpornosti proti obrabi, zato jo uporabljamo v aplikacijah tribološkega inženiringa, to je za uporabo tam, kjer je veliko trenja in obrabe.

Gosti Si ₃ N ₄ ima visoko prožno trdnost, visoko odpornost na lom, dobro odpornost proti vlečenju ali drsenju, visoko trdoto in odlično odpornost proti eroziji.

Kroglične kroglice različnih velikosti, izdelane s silicijevim nitridom. Uporabljajo se za strojne stroje. Lucasbosch. Vir: Wikimedia Commons.

To dobimo pri predelavi silicijevega nitrida s sintranjem v tekoči fazi z dodajanjem aluminijevega oksida in itrijevega oksida (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ) pri temperaturah 1750-1900 ° C.

Sintranje je sestavljeno iz izpostavljenosti sestavljenega praška visokim pritiskom in temperaturam, da dobimo gostejši in bolj kompakten material.

Silicij nitrid keramiko lahko uporabimo na primer v talilni opremi aluminija, to je na zelo vročih mestih, kjer je staljeni aluminij.

Cev za tesnjenje iz keramike Si ₃ N ₄ in se uporablja v postopkih z litim aluminijem. Hshkrc. Vir: Wikimedia Commons.

Struktura keramike iz silicijevega nitrida ponuja odlično priložnost za optimizacijo lastnosti za posebne namene glede na zahteve inženirjev. Celo številne njegove potencialne aplikacije se še niso uresničile.

Kot biomedicinski material

Od leta 1989 je bilo ugotovljeno, da je Si ₃ N ₄ biokompatibilen material, kar pomeni, da lahko nadomesti del živega organizma, ne da bi povzročil škodo in omogočil regeneracijo tkiva okoli njega.

Uporablja se za izdelavo sestavnih delov za zamenjavo ali popravilo nosilnih kosti in tudi medvretenčnih naprav, to je majhnih predmetov, ki omogočajo popravilo hrbtenice.

Pri preskusih na človeških ali živalskih kosteh je v kratkem času prišlo do združitve kosti in vsadkov ali kosov keramike Si ₃ N ₄ .

Kosti človeškega telesa lahko popravimo ali nadomestimo z deli silicijevega nitrida. Avtor: Com329329. Vir: Pixabay.

Silicijev nitrid ni strupen, daje prednost celičnemu adheziji, normalnemu razmnoževanju ali množenju celic ter njihovi diferenciaciji ali rasti glede na vrsto celice.

Kako nastane silicijev nitrid za biomedicino

Za to uporabo je bil Si ₃ N ₄ predhodno podvržen postopku sintranja z dodatki glinice in itrijevega oksida (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ). To vključuje nanašanje tlaka in visoke temperature na prah Si ₃ N ₄ in dodatke.

Ta postopek daje dobljenemu materialu sposobnost preprečevanja rasti bakterij, zmanjšuje tveganje za okužbo in daje prednost celičnemu metabolizmu telesa.

Tako odpira možnost pospeševanja hitrejšega celjenja v napravah za popravilo kosti.

V različnih aplikacijah

Uporablja se pri visokotemperaturnih aplikacijah, kjer je potrebna odpornost proti obrabi, na primer ležaji (deli, ki podpirajo rotacijsko gibanje v strojih) in rezalna orodja.

Uporablja se tudi v lopaticah turbin (stroji, ki jih tvori boben z rezili, ki se vrtijo pri prehodu vode ali plina in tako ustvarjajo energijo) in pri žarilnih žarnicah (spoji pri visokih temperaturah).

Turbinski ali zrakoplovni motor, njegova rezila lahko vsebujejo silicijev nitrid. Avtor: Lars_Nissen_Photoart. Vir: Pixabay.

Uporablja se v termočlenskih ceveh (temperaturni senzorji), staljenih kovinskih lončkih in raketnih injektorjih.

Reference

1. Cotton, F. Albert in Wilkinson, Geoffrey. (1980). Napredna anorganska kemija. Četrta izdaja. John Wiley & Sons.
2. Ameriška nacionalna medicinska knjižnica. (2019). Silicijev nitrid. Obnovljeno iz pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Dean, JA (urednik). (1973). Langeov priročnik kemije. Enajsta izdaja. McGraw-Hill Book Company.
4. Zhang, JXJ in Hoshino, K. (2019). Osnove nano / mikrofabrikacije in učinek obsega. V Molekularni senzorji in Nanodevices (druga izdaja). Pridobljeno od sciencedirect.com.
5. Drouet, C. et al. (2017). Vrste keramike. Silicijev nitrid: uvod. Vnaprej v keramičnih biomaterialih. Pridobljeno od sciencedirect.com.
6. Kita, H. et al. (2013). Pregled in pregled silicijevega nitrida in SiAlON-a, vključno z njihovimi aplikacijami. V priročniku Napredna keramika (druga izdaja). Pridobljeno od sciencedirect.com.
7. Ho, HL in Iyer, SS (2001). DRAM-i. Izdaje glede zmogljivosti vozlišč. V Enciklopediji materialov: znanost in tehnologija. Pridobljeno od sciencedirect.com.
8. Zhang, C. (2014). Razumevanje obrabnih in triboloških lastnosti kompozitov iz keramičnih matric. Vnaprej v sestavi keramičnih matrikov (druga izdaja). Pridobljeno od sciencedirect.com.