SILISIUMNITRID (SI3N4): STRUKTUR, EGENSKAPER, PRODUKSJON, BRUK - KJEMI - 2026

Den silisiumnitrid er en uorganisk forbindelse som består av nitrogen (N) og silisium (Si). Den kjemiske formelen er Si ₃ N ₄ . Det er et lysegrått eller lysegrått materiale med eksepsjonell hardhet og motstand mot høye temperaturer.

På grunn av dens egenskaper, brukes silisiumnitrid i bruksområder der høy motstand mot slitasje og høye temperaturer er nødvendig. For eksempel brukes det til å lage skjæreverktøy og kulelager.

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

Det brukes i maskiner som må motstå høye mekaniske krefter, for eksempel turbinblader, som er som store sylindere der bladene må rotere i høye hastigheter når vann eller gasser passerer og produserer energi.

Silisiumnitridkeramikk brukes til å lage deler som må komme i kontakt med smeltede metaller. De kan også brukes som erstatning for bein fra mennesker eller dyr.

Si ₃ N ₄ har elektriske isolasjonsegenskaper, det vil si at den ikke overfører strøm. Derfor kan den brukes i mikroelektronikkapplikasjoner eller i veldig små elektroniske enheter.

Struktur

I silisiumnitrid er hvert silisiumatom (Si) kovalent bundet med de 4 nitrogenatomer (N). Omvendt er hvert nitrogenatom festet til de 3 silisiumatomer.

Derfor er bindingene veldig sterke og gir forbindelsen høy stabilitet.

Lewis-struktur av silisiumnitrid Si ₃ N ₄ . Grasso Luigi. Kilde: Wikimedia Commons.

Tredimensjonal struktur av silisiumnitrid Si ₃ N ₄ . Grått = silisium; 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 vanligste. Gamma oppnås ved høye trykk og temperaturer og er den vanskeligste.

nomenklatur

• Silisiumnitrid
• Trisilicon tetranitride

Egenskaper

Fysisk tilstand

Massiv lysegrå.

Molekylær vekt

140,28 g / mol

Smeltepunkt

1900 ºC

tetthet

3,44 g / cm ³

løselighet

Uoppløselig i vann. Løselig i hydrofluorsyre HF.

Kjemiske egenskaper

Dette er en meget stabil forbindelse, på grunn av måten de silisium- og nitrogenatomer er bundet i Si ₃ N _4.

Silisiumnitrid har utmerket resistens mot saltsyre (HCl) og svovelsyre (H ₂ SO ₄ ). Det er også veldig motstandsdyktig mot oksidasjon. Den er motstandsdyktig mot støpt aluminium og dets legeringer.

Andre egenskaper

Den har god motstand mot termisk støt, høy retensjon av hardhet ved høye temperaturer, utmerket motstand mot erosjon og slitasje og utmerket motstand mot korrosjon.

Den har eksepsjonell hardhet som gjør det mulig å påføre tynne materialtykkelser. Det opprettholder sine egenskaper ved høye temperaturer.

Silisiumnitridfilmer er utmerkede barrierer for diffusjon av vann, oksygen og metaller, selv ved høye temperaturer. De er veldig harde og har en høy dielektrisk konstant, noe som betyr at de leder elektrisitet dårlig og dermed fungerer som en elektrisk isolator.

Det er av alle disse grunnene at det er et egnet materiale for høye temperaturer og høye mekaniske spenningsanvendelser.

Å skaffe

Den kan oppnås ved å starte fra reaksjonen mellom ammoniakk (NH ₃ ) og silisiumklorid (SiCl ₄ ), karakterisert ved at silisium-amid-Si (NH ₂ ) _{4 blir produsert,} som når det blir oppvarmet danner et imid og deretter siliciumnitridet Si ₃ N ₄ .

Reaksjonen kan oppsummeres som følger:

Silisiumklorid + ammoniakk → Silisiumnitrid + saltsyre

3SiCl ₄ (gass) + 4 NH ₃ (gass) → Si ₃ N ₄ (fast) + 12 HCl (gass)

Det produseres også ved å behandle kompakt pulverisert silisium (Si) med nitrogengass (N ₂ ) ved temperaturer på 1200-1400 ° C. Imidlertid har dette materialet 20-30% mikroporøsitet som begrenser dets mekaniske styrke.

3 Si (fast) + 2 N ₂ (gass) → Si ₃ N ₄ (fast)

Av denne grunn, Si ₃ N ₄ er pulver sintres for å danne tettere keramikk, betyr dette at pulveret utsettes for høyt trykk og temperatur.

applikasjoner

Innen elektronikk

Silisiumnitrid brukes ofte som et passiverings- eller beskyttelseslag i integrerte kretsløp og mikromekaniske strukturer.

En integrert krets er en struktur som inneholder de elektroniske komponentene som er nødvendige for å utføre en eller annen funksjon. Det kalles også en chip eller mikrochip.

Silisiumnitrid Si ₃ N ₄ brukes til fremstilling av mikrobrikker. Den opprinnelige opplasteren var Zephyris på engelsk Wikipedia. . Kilde: Wikimedia Commons.

Si ₃ N ₄ har utmerket motstand mot diffusjon av vann, oksygen og metaller som natrium, og det er grunnen til at det fungerer som et isolerende lag eller barriere.

Det brukes også som et dielektrisk materiale, dette betyr at det er en dårlig leder av elektrisitet, så det fungerer som en isolator for det.

Dette tjener til mikroelektroniske og fotoniske applikasjoner (generering og deteksjon av lysbølger). Det brukes som et tynt lag i optiske belegg.

Det er det vanligste dielektriske materialet som brukes i kondensatorer for dynamisk tilfeldig tilgangsminne eller DRAM (Dynamic Random Access Memory), som er de som brukes i datamaskiner.

DRAM-minne brukt på datamaskiner eller datamaskiner. Kan inneholde silisiumnitrid. Victorrocha. Kilde: Wikimedia Commons.

I keramiske materialer

Silisiumnitrid keramikk har egenskaper med høy hardhet og motstand mot slitasje, derfor brukes det i tribologiske tekniske anvendelser, det vil si bruksområder der mye friksjon og slitasje oppstår.

Tett Si ₃ N ₄ har høy fleksibel styrke, høy motstand mot brudd, god motstand mot å dra eller glide, høy hardhet og utmerket motstand mot erosjon.

Kulelagre kuler i forskjellige størrelser laget med silisiumnitrid. De brukes til å brukes i maskiner. Lucasbosch. Kilde: Wikimedia Commons.

Dette blir oppnådd når silisiumnitrid er behandlet ved sintring i flytende fase å tilsette aluminiumoksyd og yttriumoksyd (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ) ved temperaturer på 1.750 til 1.900 ° C.

Sintring består av å utsette et sammensatt pulver for høye trykk og temperaturer for å oppnå et tettere og mer kompakt materiale.

Silisiumnitridkeramikk kan brukes for eksempel i aluminiumsmelteutstyr, dvs. veldig varme steder der smeltet aluminium er til stede.

Rør for tetting laget av Si ₃ N ₄ keramikk og brukt i prosesser med støpt aluminium. Hshkrc. Kilde: Wikimedia Commons.

Strukturen av silisiumnitrid keramikk gir en flott mulighet til å optimalisere egenskapene for spesifikke applikasjoner i henhold til krav fra ingeniører. Selv mange av de potensielle bruksområdene har ennå ikke blitt til.

Som et biomedisinsk materiale

Etter 1989 ble det fastslått at Si ₃ N ₄ er et biokompatibelt materiale, som betyr at den kan erstatte en del av en levende organisme uten å forårsake skade og tillate regenerering av vev rundt det.

Den brukes til å produsere komponenter for utskifting eller reparasjon av bærende bein og også intervertebrale enheter, det vil si små gjenstander som gjør det mulig å reparere ryggraden.

I prøver som er utført på mennesker eller dyr bein, foreningen mellom benet og implantater eller Si ₃ N ₄ keramiske stykker forekom i løpet av kort tid .

Beinene i menneskekroppen kan repareres eller erstattes med deler av silisiumnitrid. Forfatter: Com329329. Kilde: Pixabay.

Silisiumnitrid er ikke-giftig, det favoriserer celleadhesjon, normal spredning eller multiplikasjon av celler og deres differensiering eller vekst etter celletype.

Slik lages silisiumnitrid for biomedisin

For denne anvendelse, Si ₃ N ₄ er tidligere kastes en sintringsprosess med tilsetninger av aluminiumoksyd og yttriumoksyd (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ). Denne består av å påføre trykk og høy temperatur til Si ₃ N- ₄ -pulver pluss tilsetningsstoffer.

Denne prosedyren gir det resulterende materialet evnen til å forhindre bakterievekst, redusere risikoen for infeksjon og favorisere kroppens cellulære metabolisme.

Dermed åpner det muligheten for å fremme raskere legning i benreparasjonsenheter.

I forskjellige bruksområder

Det brukes i høye temperaturer der slitestyrke er nødvendig, for eksempel lagre (deler som støtter rotasjonsbevegelse i maskiner) og skjæreverktøy.

Det brukes også i turbinblader (maskiner dannet av en trommel med kniver som roterer når du passerer vann eller en gass og dermed genererer energi) og glødeforbindelser (skjøter ved høye temperaturer).

Turbinmotor eller flymotor, kan bladene inneholde silisiumnitrid. Forfatter: Lars_Nissen_Photoart. Kilde: Pixabay.

Det brukes i termoelementrør (temperatursensorer), smeltet metall digler og rakettdrivstoffinjektorer.

referanser

1. Cotton, F. Albert og Wilkinson, Geoffrey. (1980). Avansert uorganisk kjemi. Fjerde utgave. John Wiley & Sons.
2. US National Library of Medicine. (2019). Silisiumnitrid. Gjenopprettet fra pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Dean, JA (Redaktør). (1973). Langes Håndbok for kjemi. Ellevte utgave. McGraw-Hill Book Company.
4. Zhang, JXJ og Hoshino, K. (2019). Grunnleggende om nano / mikrofabrikk og skalaeffekt. In Molecular Sensors and Nanodevices (Second Edition). Gjenopprettet fra sciencedirect.com.
5. Drouet, C. et al. (2017). Typer keramikk. Silisiumnitrid: en introduksjon. I fremskritt i keramiske biomaterialer. Gjenopprettet fra sciencedirect.com.
6. Kita, H. et al. (2013). Gjennomgang og oversikt over Silicon Nitride og SiAlON, inkludert deres applikasjoner. I Handbook of Advanced Ceramics (Second Edition). Gjenopprettet fra sciencedirect.com.
7. Ho, HL og Iyer, SS (2001). DRAM. Problemer med nodekapasitans. I Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Gjenopprettet fra sciencedirect.com.
8. Zhang, C. (2014). Forstå slitasje og tribologiske egenskaper ved keramiske matrikskompositter. I Advances in Ceramic Matrix Composites (Second Edition). Gjenopprettet fra sciencedirect.com.