SILICIJEV NITRID (SI3N4): STRUKTURA, SVOJSTVA, PROIZVODNJA, UPORABE - KEMIJA - 2025

Silicijevog nitrida je anorganski spoj koji se sastoji od dušika (N) i silicij (Si). Njegova kemijska formula je Si ₃ N ₄. To je svijetlosiva ili svijetlosiva boja izuzetne tvrdoće i otpornosti na visoke temperature.

Zbog svojih svojstava silicijev nitrid se koristi u područjima gdje je potrebna velika otpornost na habanje i visoke temperature. Na primjer, koristi se za izradu alata za rezanje i kugličnih ležajeva.

Sfera silicijevog nitrida Si ₃ N ₄. Lucasbosch. Izvor: Wikimedia Commons.

Koristi se u dijelovima strojeva koji se moraju oduprijeti velikim mehaničkim silama, poput lopatica turbine, poput velikih cilindara gdje se lopatice moraju okretati velikom brzinom s prolaskom vode ili plinova, proizvodeći energiju.

Keramika iz silicijevog nitrida koristi se za izradu dijelova koji moraju doći u kontakt sa stopljenim metalima. Također se mogu koristiti kao zamjena za ljudske ili životinjske kosti.

Si ₃ N ₄ ima električna izolacijska svojstva, odnosno ne prenosi električnu energiju. Zbog toga se može koristiti u mikroelektronskim aplikacijama ili u vrlo malim elektroničkim uređajima.

Struktura

U silicijevom nitridu svaki atom silicija (Si) kovalentno je povezan sa 4 atoma dušika (N). Suprotno tome, svaki atom dušika povezan je sa 3 atoma silicija.

Stoga su veze vrlo jake i daju spoju visoku stabilnost.

Lewisova struktura silicijevog nitrida Si ₃ N ₄. Grasso Luigi. Izvor: Wikimedia Commons.

Trodimenzionalna struktura silicijevog nitrida Si ₃ N ₄. Siva = silicij; plava = dušik. Grasso Luigi. Izvor: Wikimedia Commons.

Silicijum nitrid ima tri kristalne strukture: alfa (α-Si ₃ N ₄), beta (β-Si ₃ N ₄) i gama (γ-Si ₃ N ₄). Alfa i beta su najčešći. Gama se dobiva pri visokim pritiscima i temperaturama i najtvrđa je.

Nomenklatura

• Silicijev nitrid
• Trisilicon tetranitride

Svojstva

Psihičko stanje

Čvrsta svijetlosiva.

Molekularna težina

140,28 g / mol

Talište

1900 ºC

Gustoća

3,44 g / cm ³

Topljivost

Netopljivo u vodi. Topivo u HF fluorovodičnoj kiselini.

Kemijska svojstva

To je vrlo stabilan spoj, s obzirom na način silicija i dušikovih atoma vezanih na Si ₃ N _4.

Silicijev nitrid ima izvrsnu otpornost na klorovodičnu (HCl) i sumpornu (H ₂ SO ₄) kiseline. Također je vrlo otporan na oksidaciju. Otporan je na lijevani aluminij i njegove legure.

Ostala svojstva

Ima dobru otpornost na toplotni udar, veliko zadržavanje tvrdoće na povišenim temperaturama, odličnu otpornost na eroziju i habanje i odličnu otpornost na koroziju.

Ima izuzetnu tvrdoću koja omogućava nanošenje tankih debljina materijala. Održava svoja svojstva na visokim temperaturama.

Filteri silicijevog nitrida izvrsne su prepreke difuziji vode, kisika i metala, čak i pri visokim temperaturama. Oni su vrlo tvrdi i imaju visoku dielektričnu konstantu, što znači da loše provode električnu energiju, djelujući na taj način kao električni izolator.

Zbog svih ovih razloga je prikladan materijal za primjenu na visokim temperaturama i visokim mehaničkim naponima.

dobivanje

On se može dobiti počevši od reakcije između amonijaka (NH ₃) i silicij-kloridom (SiCl ₄), u kojoj je silicij amid Si (NH ₂) _{je proizveden 4,} koji kada se grije tvori imid i zatim silicijev nitrid Si ₃ N ₄.

Reakcija se može sažeti na sljedeći način:

Silicijev klorid + amonijak → Silicijev nitrid + klorovodična kiselina

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

Također se proizvodi obradom kompaktnog praškastog silicija (Si) dušičnim plinom (N ₂) na temperaturama od 1200-1400 ° C. Međutim, ovaj materijal ima 20-30% mikroporoznosti koja ograničava njegovu mehaničku čvrstoću.

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

Iz tog razloga, prah Si ₃ N ₄ sinterovan je kako bi se dobio gušće keramike, to znači da je prah izložen visokom tlaku i temperaturi.

Prijave

U području elektronike

Silicijev nitrid često se koristi kao pasivizacijski ili zaštitni sloj u integriranim krugovima i mikromehaničkim strukturama.

Integrirani krug je struktura koja sadrži elektroničke komponente potrebne za obavljanje neke funkcije. Naziva se i čipom ili mikročipom.

Silicij nitrid Si ₃ N ₄ koristi se u proizvodnji mikročipova. Originalni učitavač bio je Zephyris na engleskoj Wikipediji., Izvor: Wikimedia Commons.

Si ₃ N ₄ ima izvrsnu otpornost na difuziju vode, kisika i metala poput natrija, zbog čega služi kao izolacijski sloj ili barijera.

Također se koristi kao dielektrični materijal, to znači da je loš provodnik električne energije, pa djeluje kao izolator za njega.

Ovo služi za mikroelektronske i fotonske aplikacije (stvaranje i detekcija svjetlosnih valova). Koristi se kao tanki sloj u optičkim premazima.

To je najčešći dielektrični materijal koji se koristi u kondenzatorima za dinamičku memoriju sa slučajnim pristupom ili DRAM (Dynamic Random Access Memory), koji su oni koji se koriste u računalima.

DRAM memorija koja se koristi u računalima ili računalima. Može sadržavati silicijev nitrid. Victorrocha. Izvor: Wikimedia Commons.

U keramičkim materijalima

Silicij-nitrid keramika ima svojstva visoke tvrdoće i otpornosti na habanje, pa se koristi u tribološkim inženjerskim primjenama, to jest, u slučajevima gdje dolazi do velikog trenja i habanja.

Gusti Si ₃ N ₄ pokazuje veliku fleksibilnu čvrstoću, visoku otpornost na lom, dobru otpornost na vučenje ili klizanje, visoku tvrdoću i izvrsnu otpornost na eroziju.

Kuglične kuglice različitih veličina izrađene od silicijevog nitrida. Oni se koriste za strojeve. Lucasbosch. Izvor: Wikimedia Commons.

To se dobiva kada se silicijev nitrid obrađuje sinteriranjem u tekućoj fazi dodavanjem aluminij-oksida i itrijevog oksida (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃) pri temperaturama od 1750-1900 ° C.

Sintranje se sastoji od podvrgavanja smjese u prahu visokim pritiscima i temperaturama da bi se dobio gušći i kompaktniji materijal.

Silikonska nitridna keramika može se upotrijebiti na primjer u opremi za topljenje aluminija, tj. Na vrlo vrućim mjestima gdje postoji staljeni aluminij.

Cijev za brtvljenje izrađena je od Si ₃ N ₄ keramike i koristi se u postupcima s lijevanim aluminijom. Hshkrc. Izvor: Wikimedia Commons.

Struktura keramičke nitrid keramike pruža izvrsnu priliku za optimiziranje svojstava za posebne primjene u skladu sa zahtjevima inženjera. Čak se mnoge njegove potencijalne primjene tek trebaju realizirati.

Kao biomedicinski materijal

Od 1989. ustanovljeno je da je Si ₃ N ₄ biokompatibilni materijal, što znači da može zamijeniti dio živog organizma bez nanošenja štete i omogućavanja regeneracije tkiva oko njega.

Koristi se za proizvodnju dijelova za zamjenu ili popravak nosivih kostiju, kao i intervertebralnih uređaja, odnosno sitnih predmeta koji omogućuju popravak kralježnice.

U ispitivanjima na ljudskim ili životinjskim kostima, došlo je do spajanja kosti i implantata ili Si ₃ N ₄ keramičkih komada u kratkom vremenu.

Kosti ljudskog tijela mogu se popraviti ili zamijeniti dijelovima silicijevog nitrida. Autor: Com329329. Izvor: Pixabay.

Silicijev nitrid nije toksičan, pogoduje staničnoj adheziji, normalnoj proliferaciji ili množenju stanica i njihovom diferencijaciji ili rastu prema staničnoj vrsti.

Kako se pravi silicijev nitrid za biomedicinu

Za ovu primjenu, Si ₃ N ₄ prethodno je podvrgnut postupku sinteriranja s dodacima glinice i nitrijevog oksida (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃). Sastoji se od primjene tlaka i visoke temperature na prah Si ₃ N ₄ plus aditive.

Ovaj postupak daje dobivenom materijalu sposobnost da spriječi rast bakterija, smanjujući rizik od infekcije i favorizirajući stanični metabolizam tijela.

Time se otvara mogućnost promicanja bržeg zacjeljivanja u uređajima za popravljanje kostiju.

U raznim primjenama

Koristi se u primjenama na visokim temperaturama gdje je potrebna otpornost na habanje, poput ležajeva (dijelovi koji podržavaju rotacijsko gibanje u strojevima) i reznih alata.

Također se koristi u lopaticama turbina (strojevi formirani bubnjem s lopaticama koje se okreću pri prolasku vode ili plina i tako stvaraju energiju) i užarenim spojevima (spojevi pri visokim temperaturama).

Motor turbine ili zrakoplova, njegove lopatice mogu sadržavati silicijev nitrid. Autor: Lars_Nissen_Photoart. Izvor: Pixabay.

Koristi se u termoparnim cijevima (temperaturnim senzorima), rastopljenim metalnim lončićima i raketnim mlaznicama.

Reference

1. Cotton, F. Albert i Wilkinson, Geoffrey. (1980). Napredna anorganska kemija. Četvrto izdanje. John Wiley & Sinovi.
2. Američka nacionalna medicinska knjižnica. (2019). Silicijum nitrid. Oporavak od pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Dean, JA (urednik). (1973). Langeov priručnik kemije. Jedanaesto izdanje. McGraw-Hill Book Company.
4. Zhang, JXJ i Hoshino, K. (2019). Osnove nano / mikrofabrikacije i učinak razmjera. U molekularnim senzorima i Nanodevices (drugo izdanje). Oporavljeno od sciencedirect.com.
5. Drouet, C. i sur. (2017). Vrste keramike. Silicijum nitrid: uvod. Unaprijed u keramičkim biomaterijalima. Oporavljeno od sciencedirect.com.
6. Kita, H. i sur. (2013). Pregled i pregled Silicij nitrida i SiAlON-a, uključujući njihove primjene. U Priručniku za naprednu keramiku (drugo izdanje). Oporavljeno od sciencedirect.com.
7. Ho, HL i Iyer, SS (2001). Dram. Problemi s kapacitetom čvorova. U Enciklopediji materijala: Znanost i tehnologija. Oporavljeno od sciencedirect.com.
8. Zhang, C. (2014). Razumijevanje trošenja i triboloških svojstava kompozita keramičke matrice. Unaprijed u sastavu keramičkih matriksa (drugo izdanje). Oporavljeno od sciencedirect.com.