SILICIUMNITRID (SI3N4): STRUKTUR, EGENSKABER, PRODUKTION, ANVENDELSER - KEMI - 2025

Den siliciumnitrid er en uorganisk forbindelse, der består af nitrogen (N) og silicium (Si). Dens kemiske formel er Si ₃ N ₄. Det er et lysegrå eller lysegrå materiale med enestående hårdhed og modstand mod høje temperaturer.

På grund af dens egenskaber anvendes siliciumnitrid til anvendelser, hvor der kræves høj modstandsdygtighed over for slid og høje temperaturer. For eksempel bruges det til at fremstille skæreværktøjer og kuglelejer.

Siliciumnitridkugle Si ₃ N ₄. Lucasbosch. Kilde: Wikimedia Commons.

Det bruges i maskiner, der skal modstå høje mekaniske kræfter, såsom turbineblade, der er som store cylindre, hvor bladene skal rotere i høje hastigheder med passage af vand eller gasser og producerer energi.

Siliciumnitridkeramik bruges til at fremstille dele, der skal komme i kontakt med smeltede metaller. De kan også bruges som erstatning for menneskelige eller dyre knogler.

Si ₃ N ₄ har elektriske isoleringsegenskaber, dvs. at det ikke transmitterer elektricitet. Derfor kan det bruges i mikroelektronikapplikationer eller i meget små elektroniske enheder.

Struktur

I siliciumnitrid er hvert siliciumatom (Si) bundet kovalent til de 4 nitrogenatomer (N). Omvendt er hvert nitrogenatom knyttet til de 3 siliciumatomer.

Derfor er bindingerne meget stærke og giver forbindelsen høj stabilitet.

Elektronprikmodellen af siliciumnitrid Si ₃ N ₄. Grasso Luigi. Kilde: Wikimedia Commons.

Tredimensionel struktur af siliciumnitrid Si ₃ N ₄. Grå = silicium; blå = nitrogen. Grasso Luigi. Kilde: Wikimedia Commons.

Siliciumnitrid har tre krystallinske strukturer: alfa (α-Si ₃ N ₄), beta (β-Si ₃ N ₄) og gamma (γ-Si ₃ N ₄). Alfa og beta er de mest almindelige. Gamma opnås ved høje tryk og temperaturer og er den hårdeste.

nomenklatur

• Siliciumnitrid
• Trisilicon tetranitrid

Ejendomme

Fysisk tilstand

Massiv lysegrå.

Molekylær vægt

140,28 g / mol

Smeltepunkt

1900 ºC

Massefylde

3,44 g / cm ³

Opløselighed

Uopløselig i vand. Opløselig i fluorid HF.

Kemiske egenskaber

Dette er en meget stabil forbindelse, skyldes den måde, silicium- og nitrogenatomer er bundet i Si ₃ N _4.

Siliciumnitrid har fremragende modstandsdygtighed over for saltsyre (HCI) og svovlsyre (H ₂ SO ₄) syrer. Det er også meget modstandsdygtigt over for oxidation. Det er modstandsdygtigt over for støbt aluminium og dets legeringer.

Andre egenskaber

Det har god modstand mod termisk stød, høj fastholdelse af hårdhed ved forhøjede temperaturer, fremragende modstand mod erosion og slid og fremragende modstand mod korrosion.

Det har en usædvanlig hårdhed, der gør det muligt at anvende tynde materialetykkelser. Det opretholder sine egenskaber ved høje temperaturer.

Siliciumnitridfilm er fremragende barrierer for diffusion af vand, ilt og metaller, selv ved høje temperaturer. De er meget hårde og har en høj dielektrisk konstant, hvilket betyder, at de leder elektricitet dårligt og således fungerer som en elektrisk isolator.

Det er af alle disse grunde, at det er et egnet materiale til høje temperaturer og høje mekaniske belastningsanvendelser.

Indhentning

Det kan fremstilles ud fra reaktionen mellem ammoniak (NH ₃) og silicium-chlorid (SiCl ₄), hvori silicium amid Si (NH ₂) _{4 frembringes,} som ved opvarmning danner et imid og derefter siliciumnitridet Si ₃ N ₄.

Reaktionen kan sammenfattes som følger:

Siliciumchlorid + Ammoniak → Siliciumnitrid + saltsyre

3SiCl ₄ (gas) + 4 NH ₃ (gas) → Si ₃ N ₄ (fast stof) + 12 HCI (gas)

Det er også fremstillet ved behandling af kompakt pulveriseret silicium (Si) med nitrogengas (N ₂) ved temperaturer på 1200-1400 ° C. Imidlertid har dette materiale 20-30% mikroporøsitet, der begrænser dets mekaniske styrke.

3Si (fast) + 2 N ₂ (gas) → Si ₃ N ₄ (fast stof)

Derfor Si ₃ N ₄ er pulver sintres til dannelse tættere keramik, betyder dette, at pulveret udsættes for højt tryk og temperatur.

Applikationer

Inden for elektronikområdet

Siliciumnitrid bruges ofte som et passiverings- eller beskyttelseslag i integrerede kredsløb og mikromekaniske strukturer.

Et integreret kredsløb er en struktur, der indeholder de elektroniske komponenter, der er nødvendige for at udføre en eller anden funktion. Det kaldes også en chip eller mikrochip.

Siliciumnitrid Si ₃ N ₄ anvendes til fremstilling af mikrochips. Den originale uploader var Zephyris på engelsk Wikipedia.. Kilde: Wikimedia Commons.

Si ₃ N ₄ har fremragende modstandsdygtighed over for diffusion af vand, oxygen og metaller, såsom natrium, hvorfor det tjener som et isolerende lag eller barriere.

Det bruges også som et dielektrisk materiale, det betyder, at det er en dårlig leder af elektricitet, så det fungerer som en isolator for det.

Dette tjener til mikroelektroniske og fotoniske applikationer (generering og detektion af lysbølger). Det bruges som et tyndt lag i optiske belægninger.

Det er det mest almindelige dielektriske materiale, der bruges i kondensatorer til dynamisk tilfældig adgangshukommelse eller DRAM (Dynamic Random Access Memory), som er dem, der bruges i computere.

DRAM-hukommelse, der bruges i computere eller computere. Kan indeholde siliciumnitrid. Victorrocha. Kilde: Wikimedia Commons.

I keramiske materialer

Siliciumnitridkeramik har egenskaber med høj hårdhed og slidstyrke, derfor bruges det til tribologiske tekniske anvendelser, det vil sige anvendelser, hvor der forekommer meget friktion og slid.

Den tætte Si ₃ N ₄ udviser høj fleksibel styrke, høj brudstyrke, god resistens til at trække eller skubbe, høj hårdhed og fremragende modstandsdygtighed over for erosion.

Kugleleje sfærer i forskellige størrelser fremstillet med siliciumnitrid. De bruges til at blive brugt i maskiner. Lucasbosch. Kilde: Wikimedia Commons.

Dette opnås, når siliciumnitrid behandles ved sintring i flydende fase ved tilsætning af aluminiumoxid og yttriumoxid (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃) ved temperaturer på 1750-1900 ° C.

Sintering består af at udsætte et sammensat pulver for høje tryk og temperaturer for at opnå et tættere og mere kompakt materiale.

Siliciumnitridkeramik kan fx anvendes i aluminiumssmelteanlæg, dvs. meget varme steder, hvor smeltet aluminium er til stede.

Rør til tætning lavet af Si ₃ N ₄ keramik og brugt i processer med støbt aluminium. Hshkrc. Kilde: Wikimedia Commons.

Strukturen af ​​siliciumnitridkeramik giver en stor mulighed for at optimere egenskaber til specifikke applikationer i henhold til krav fra ingeniører. Selv mange af dens potentielle applikationer er endnu ikke realiserede.

Som et biomedicinsk materiale

Siden 1989 blev det fastslået, at Si ₃ N ₄ er et biokompatibelt materiale, som betyder, at den kan erstatte en del af en levende organisme uden at forårsage beskadigelse og tillader regenerering af vævet omkring det.

Det bruges til at fremstille komponenter til udskiftning eller reparation af bærende knogler og også intervertebrale enheder, dvs. små genstande, der gør det muligt at reparere rygsøjlen.

I tests udført på humane eller animalske knogler, foreningen mellem knoglen og implantaterne eller Si ₃ N ₄ keramiske stykker opstod på kort tid.

Benene i den menneskelige krop kan repareres eller erstattes med dele af siliciumnitrid. Forfatter: Com329329. Kilde: Pixabay.

Siliciumnitrid er ikke-toksisk, det favoriserer celleadhæsion, normal proliferation eller multiplikation af celler og deres differentiering eller vækst efter celletype.

Sådan fremstilles siliciumnitrid til biomedicin

Til denne anvendelse Si ₃ N ₄ er tidligere blevet underkastet en sintring med additiver af aluminiumoxid og yttriumoxid (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃). Denne består af påføring af tryk og høj temperatur til Si ₃ N ₄ pulver plus additiverne.

Denne procedure giver det resulterende materiale evnen til at forhindre bakterievækst, reducere risikoen for infektion og fremme kroppens cellulære metabolisme.

Således åbner det muligheden for at fremme hurtigere heling i knoglereparationsanordninger.

I forskellige applikationer

Det bruges til høje temperaturer, hvor modstand mod slid er påkrævet, såsom lejer (dele, der understøtter rotationsbevægelse i maskiner) og skæreværktøjer.

Det bruges også i turbineblade (maskiner dannet af en tromle med knive, der roterer, når der passerer vand eller en gas og således genererer energi) og glødeforbindelser (samlinger ved høje temperaturer).

Turbine eller flymotor, dets blade kan indeholde siliciumnitrid. Forfatter: Lars_Nissen_Photoart. Kilde: Pixabay.

Det bruges i termoelementrør (temperatursensorer), smeltet metaldigel og injektionssprøjter til raketbrændstof.

Referencer

1. Cotton, F. Albert og Wilkinson, Geoffrey. (1980). Avanceret uorganisk kemi. Fjerde udgave. John Wiley & sønner.
2. US National Library of Medicine. (2019). Siliciumnitrid. Gendannes fra pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Dean, JA (redaktør). (1973). Langes håndbog om kemi. Ellevte udgave. McGraw-Hill bogfirma.
4. Zhang, JXJ og Hoshino, K. (2019). Grundlæggende om nano / mikrofabrikation og skalaeffekt. In Molecular Sensors and Nanodevices (Anden udgave). Gendannes fra sciencedirect.com.
5. Drouet, C. et al. (2017). Typer af keramik. Siliciumnitrid: en introduktion. Fremskridt inden for keramiske biomaterialer. Gendannes fra sciencedirect.com.
6. Kita, H. et al. (2013). Gennemgang og oversigt over siliciumnitrid og SiAlON, inklusive deres applikationer. I håndbog om avanceret keramik (anden udgave). Gendannes fra sciencedirect.com.
7. Ho, HL og Iyer, SS (2001). DRAM. Problemer med knudepunktkapacitet. In Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Gendannes fra sciencedirect.com.
8. Zhang, C. (2014). At forstå slid og tribologiske egenskaber ved keramiske matrixkompositter. Fremskridt inden for keramisk matrixkompositter (Anden udgave). Gendannes fra sciencedirect.com.