Kiselnitrid (Si3N4) struktur, egenskaper, produktion, användningsområden

3859
Anthony Golden
Kiselnitrid (Si3N4) struktur, egenskaper, produktion, användningsområden

De kiselnitrid Det är en oorganisk förening bildad av kväve (N) och kisel (Si). Dess kemiska formel är Si3N4. Det är ett ljusgrått eller ljusgrått material med exceptionell hårdhet och motståndskraft mot höga temperaturer.

På grund av dess egenskaper används kiselnitrid i applikationer där hög slitstyrka och höga temperaturer krävs. Till exempel används den för att tillverka skärverktyg och kullager.

Kiselnitrid sfär Ja3N4. Lucasbosch [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]. Källa: Wikimedia Commons.

Den används i delar av maskiner som måste motstå höga mekaniska krafter, såsom turbinblad, som är som stora cylindrar där knivarna måste rotera i höga hastigheter med vatten eller gaser och producerar energi.

Kiselnitridkeramik används för att tillverka delar som måste komma i kontakt med smält metall. De tjänar också för att användas som en ersättning för människa eller djurben.

Han gör3N4 Den har elektriska isoleringsegenskaper, det vill säga den överför inte elektricitet. Därför kan den användas i mikroelektronikapplikationer eller i mycket små elektroniska enheter.

Artikelindex

  • 1 Struktur
  • 2 Nomenklatur
  • 3 fastigheter
    • 3.1 Fysiskt tillstånd
    • 3.2 Molekylvikt
    • 3.3 Smältpunkt
    • 3.4 Densitet
    • 3.5 Löslighet
    • 3.6 Kemiska egenskaper
    • 3.7 Övriga egenskaper
  • 4 Skaffa
  • 5 användningsområden
    • 5.1 Inom elektronikområdet
    • 5.2 I keramiska material
    • 5.3 Som ett biomedicinskt material
    • 5.4 Hur kiselnitrid för biomedicin tillverkas
    • 5.5 I olika applikationer
  • 6 Referenser

Strukturera

I kiselnitrid är varje kiselatom (Si) kovalent bunden med de 4 kväveatomerna (N). Omvänt är varje kväveatom fäst vid de 3 kiselatomerna.

Därför är bindningarna mycket starka och ger föreningen hög stabilitet..

Lewis-struktur av kiselnitrid Si3N4. Grasso Luigi [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]. Källa: Wikimedia Commons.
Tredimensionell struktur av kiselnitrid Si3N4. Grå = kisel; blå = kväve. Grasso Luigi [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]. Källa: Wikimedia Commons.

Kiselnitrid har tre kristallina strukturer: alfa (α-Si3N4), beta (P-Si3N4och gamma (y-Si3N4). Alfa och beta är de vanligaste. Gamma erhålls vid höga tryck och temperaturer och är det svåraste.

Nomenklatur

  • Kiselnitrid
  • Trisilikon tetranitrid

Egenskaper

Fysiskt tillstånd

Fast ljusgrå.

Molekylvikt

140,28 g / mol

Smältpunkt

1900 ºC

Densitet

3,44 g / cm3

Löslighet

Olöslig i vatten. Löslig i fluorvätesyra HF.

Kemiska egenskaper

Detta är en mycket stabil förening på grund av hur kisel- och kväveatomerna är bundna i Si3N4.

Kiselnitrid har utmärkt motståndskraft mot saltsyra (HCl) och svavelsyra (HtvåSW4). Det är också mycket resistent mot oxidation. Den är beständig mot gjuten aluminium och dess legeringar.

Andra egenskaper

Den har god beständighet mot termisk chock, hög retention av hårdhet vid förhöjda temperaturer, utmärkt motståndskraft mot erosion och slitage, och utmärkt motståndskraft mot korrosion.

Den har en exceptionell hårdhet som möjliggör applicering av tunna materialtjocklekar. Bibehåller dess egenskaper vid höga temperaturer.

Kiselnitridfilmer är utmärkta barriärer mot diffusion av vatten, syre och metaller, även vid höga temperaturer. De är mycket hårda och har en hög dielektrisk konstant, vilket innebär att de leder el dåligt och fungerar således som en elektrisk isolator..

Det är av alla dessa skäl att det är ett lämpligt material för applikationer med hög temperatur och hög mekanisk spänning..

Erhållande

Det kan erhållas med början från reaktionen mellan ammoniak (NH3) och kiselklorid (SiCl4i vilken kiselamid Si (NHtvå)4 att vid upphettning bildar en imid och sedan kiselnitrid Si3N4.

Reaktionen kan sammanfattas enligt följande:

Kiselklorid + ammoniak → Kiselnitrid + saltsyra

3 SiCl4 (gas) + 4 NH3 (gas) → Ja3N4 (fast) + 12 HCl (gas)

Det tillverkas också genom behandling av kompakt pulverkisel (Si) med kvävgas (Ntvå) vid temperaturer mellan 1200-1400 ° C. Detta material har dock 20-30% mikroporositet som begränsar dess mekaniska hållfasthet..

3 Si (fast) + 2 Ntvå (gas) → Ja3N4 (fast)

Därför sintras Si-pulvret.3N4 för att bilda tätare keramik innebär detta att pulvret utsätts för högt tryck och temperatur.

Applikationer

Inom området elektronik

Kiselnitrid används ofta som ett passiverings- eller skyddsskikt i integrerade kretsar och mikromekaniska strukturer..

En integrerad krets är en struktur som innehåller de elektroniska komponenter som är nödvändiga för att utföra någon funktion. Det kallas också ett chip eller mikrochip.

Kiselnitrid Si3N4 Det används vid tillverkning av mikrochips. Den ursprungliga uppladdaren var Zephyris på engelska Wikipedia. [CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]. Källa: Wikimedia Commons.

Han gör3N4 den har utmärkt motståndskraft mot diffusion av vatten, syre och metaller som natrium, varför det fungerar som ett isolerande skikt eller barriär.

Det används också som dielektriskt material, det betyder att det är en dålig elektriskt ledare, så det fungerar som en isolator av detta.

Detta fungerar för mikroelektroniska och fotoniska applikationer (generering och detektering av ljusvågor). Används som ett tunt lager i optiska beläggningar.

Det är det vanligaste dielektriska materialet som används i DRAM-kondensatorer (Dynamic Random Access Memory). Dynamiskt Random Access Memory), som är de som används i datorer eller datorer.

DRAM-minne som används i datorer eller datorer. Kan innehålla kiselnitrid. Victorrocha [CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]. Källa: Wikimedia Commons.

I keramiska material

Kiselnitridkeramik har egenskaper med hög hårdhet och slitstyrka, därför används den i tribologiska tekniska tillämpningar, det vill säga användningar där mycket friktion och slitage uppstår..

Han gör3N4 denso uppvisar hög flexibel hållfasthet, hög motståndskraft mot sprickor, god motståndskraft mot dragning eller glidning, hög hårdhet och utmärkt motståndskraft mot erosion.

Bärkulor i olika storlekar tillverkade med kiselnitrid. De används för att användas i maskiner. Lucasbosch [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]. Källa: Wikimedia Commons.

Detta uppnås när kiselnitrid bearbetas genom sintring i flytande fas genom tillsats av aluminiumoxid och yttriumoxid (AltvåELLER3 + YtvåELLER3) vid temperaturer 1750-1900 ° C.

Sintring består av att utsätta ett sammansatt pulver för höga tryck och temperaturer för att erhålla ett tätare och mer kompakt material.

Kiselnitridkeramik kan användas till exempel i aluminiumsmältningsutrustning, dvs. mycket heta platser där det finns smält aluminium.

Si keramiskt tätningsrör3N4 och används i processer med smält aluminium. Hshkrc [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]. Källa: Wikimedia Commons.

Strukturen av kiselnitridkeramik ger ett utmärkt tillfälle att optimera egenskaperna för specifika applikationer enligt ingenjörernas krav. Även många av dess potentiella applikationer har ännu inte realiserats..

Som ett biomedicinskt material

Sedan 1989 konstaterades att Si3N4 det är ett biokompatibelt material, vilket innebär att det kan ersätta en del av en levande organism utan att orsaka skador och tillåta regenerering av vävnaden runt den.

Den används för att tillverka komponenter för utbyte eller reparation av bärande ben och även intervertebrala anordningar, det vill säga små föremål som gör det möjligt att reparera ryggraden.

I tester utförda på människo- eller djurben, på kort tid, föreningen mellan benet och implantaten eller keramiska bitar av Si3N4.

Benen i människokroppen kan repareras eller ersättas med delar av kiselnitrid. Författare: Com329329. Källa: Pixabay.

Kiselnitrid är giftfri, det gynnar cellvidhäftning, normal spridning eller multiplikation av celler och deras differentiering eller tillväxt efter celltyp.

Hur tillverkas kiselnitrid för biomedicin

För denna applikation har Si3N4 har tidigare utsatts för en sintringsprocess med tillsatser av aluminiumoxid och yttriumoxid (AltvåELLER3+YtvåELLER3). Detta består i att applicera tryck och hög temperatur på Si-pulvret.3N4 plus tillsatser.

Denna procedur ger det resulterande materialet förmågan att förhindra bakterietillväxt, vilket minskar risken för infektion och gynnar kroppens cellulära metabolism..

Därför öppnar det möjligheten att främja snabbare läkning i benreparationsanordningar..

I olika applikationer

Används i applikationer med hög temperatur där slitstyrka krävs, t.ex. lager (delar som stöder rotationsrörelse i maskiner) och skärverktyg.

Den används också i turbinblad (maskiner bildade av en trumma med blad som roterar när de passerar vatten eller en gas och därmed genererar energi) och glödande anslutningar (fogar vid höga temperaturer).

Turbin- eller flygmotor, dess blad kan innehålla kiselnitrid. Författare: Lars_Nissen_Photoart. Källa: Pixabay.

Används i termoelementrör (temperaturgivare), smält deglar och raketbränsleinjektorer.

Referenser

  1. Cotton, F. Albert och Wilkinson, Geoffrey. (1980). Avancerad oorganisk kemi. Fjärde upplagan. John Wiley & Sons.
  2. USA National Library of Medicine. (2019). Kiselnitrid. Återställd från pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
  3. Dean, J.A. (Redaktör). (1973). Lange's Handbook of Chemistry. Elfte upplagan. McGraw-Hill Book Company.
  4. Zhang, J.X.J. och Hoshino, K. (2019). Grundläggande för nano / mikrofabricering och skaleffekt. In Molecular Sensors and Nanodevices (andra upplagan). Återställd från sciencedirect.com.
  5. Drouet, C. et al. (2017). Typer av keramik. Kiselnitrid: en introduktion. I framsteg inom keramiska biomaterial. Återställd från sciencedirect.com.
  6. Kita, H. et al. (2013). Granskning och översikt av kiselnitrid och SiAlON, inklusive deras applikationer. I Handbook of Advanced Ceramics (andra upplagan). Återställd från sciencedirect.com.
  7. Ho, H.L. och Iyer, S.S. (2001). DRAM. Noder Kapacitansfrågor. I Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Återställd från sciencedirect.com.
  8. Zhang, C. (2014). Förstå slitaget och tribologiska egenskaper hos keramiska matrixkompositer. In Advances in Ceramic Matrix Composites (andra upplagan). Återställd från sciencedirect.com.

Ingen har kommenterat den här artikeln än.