NITRID KŘEMÍKU (SI3N4): STRUKTURA, VLASTNOSTI, VÝROBA, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Nitrid křemíku je anorganická sloučenina skládající se z dusíku (N) a křemíku (Si). Jeho chemický vzorec je Si ₃ N ₄. Je to zářivě šedý nebo světle šedý materiál výjimečné tvrdosti a odolnosti vůči vysokým teplotám.

Díky svým vlastnostem se nitrid křemíku používá v aplikacích, kde je vyžadována vysoká odolnost proti opotřebení a vysoké teploty. Používá se například k výrobě řezných nástrojů a kuličkových ložisek.

Síran nitridu křemíku Si ₃ N ₄. Lucasbosch. Zdroj: Wikimedia Commons.

Používá se u kusů strojního zařízení, které musí odolávat vysokým mechanickým silám, jako jsou lopatky turbíny, které jsou jako velké válce, kde se lopatky musí otáčet vysokými rychlostmi s průchodem vody nebo plynů a vytvářet energii.

Keramika z nitridu křemíku se používá k výrobě dílů, které musí přijít do styku s roztavenými kovy. Mohou být také použity jako náhrada za lidské nebo zvířecí kosti.

Si ₃ N ₄ má elektrické izolační vlastnosti, to znamená, že nepřenáší elektřinu. Proto jej lze použít v mikroelektronických aplikacích nebo ve velmi malých elektronických zařízeních.

Struktura

V nitridu křemíku je každý atom křemíku (Si) kovalentně vázán se 4 atomy dusíku (N). Naopak každý atom dusíku je navázán na 3 atomy křemíku.

Proto jsou vazby velmi silné a dávají sloučenině vysokou stabilitu.

Lewis struktura nitridu křemíku Si ₃ N ₄. Grasso Luigi. Zdroj: Wikimedia Commons.

Trojrozměrná struktura nitridu křemíku Si ₃ N ₄. Šedá = křemík; modrá = dusík. Grasso Luigi. Zdroj: Wikimedia Commons.

Nitrid křemíku má tři krystalické struktury: alfa (α-Si ₃ N ₄), beta (β-Si ₃ N ₄) a gama (γ-Si ₃ N ₄). Alfa a beta jsou nejčastější. Gama se získává při vysokých tlacích a teplotách a je nejtěžší.

Nomenklatura

• Nitrid křemíku
• Trisilicon tetranitrid

Vlastnosti

Fyzický stav

Masivní světle šedá.

Molekulární váha

140,28 g / mol

Bod tání

1900 ° C

Hustota

3,44 g / cm ³

Rozpustnost

Nerozpustný ve vodě. Rozpustný v kyselině fluorovodíkové HF.

Chemické vlastnosti

Jedná se o velmi stabilní sloučeninu, vzhledem ke způsobu, jakým křemíku a atomy dusíku jsou vázány na Si ₃ N _4.

Nitrid křemíku má vynikající odolnost vůči chlorovodíkové (HCl) a kyselina sírová (H ₂ SO ₄) kyseliny. Je také velmi odolný vůči oxidaci. Je odolný vůči litému hliníku a jeho slitinám.

Další vlastnosti

Má dobrou odolnost proti tepelným šokům, vysokou retenci tvrdosti při zvýšených teplotách, vynikající odolnost proti erozi a opotřebení a vynikající odolnost proti korozi.

Má mimořádnou tvrdost, která umožňuje aplikaci tenkých tlouštěk materiálu. Udržuje své vlastnosti při vysokých teplotách.

Fólie z nitridu křemíku jsou vynikající bariérou pro difúzi vody, kyslíku a kovů, a to i při vysokých teplotách. Jsou velmi tvrdé a mají vysokou dielektrickou konstantu, což znamená, že špatně vedou elektřinu, čímž působí jako elektrický izolátor.

Z těchto důvodů je vhodným materiálem pro vysoké teploty a vysoké mechanické namáhání.

Získání

To může být získány z reakce mezi amoniakem (NH ₃) a chloridu křemičitého (SiCl ₄), ve kterém je křemík Si amid (NH ₂) _{se vyrábí 4,} který se při zahřátí tvoří imidu a potom na nitridu křemíku Si ₃ N ₄.

Reakci lze shrnout takto:

Chlorid křemičitý + amoniak → nitrid křemíku + kyselina chlorovodíková

3SiCl ₄ (plyn) + 4 NH ₃ (plyn) → Si ₃ N ₄ (pevná látka) + 12 HCl (plyn)

Vyrábí se také zpracováním kompaktního práškového křemíku (Si) plynným dusíkem (N ₂) při teplotách 1 200 - 1 400 ° C. Tento materiál má však 20-30% mikroporéznost, která omezuje jeho mechanickou pevnost.

3Si (pevná látka) + 2 N ₂ (plyn) → Si ₃ N ₄ (pevná látka)

Z tohoto důvodu je Si ₃ N ₄ prášek sintruje pro vytvoření hustější keramiky, to znamená, že prášek se pod vysokým tlakem a teplotou.

Aplikace

V oblasti elektroniky

Nitrid křemíku se často používá jako pasivační nebo ochranná vrstva v integrovaných obvodech a mikromechanických strukturách.

Integrovaný obvod je struktura, která obsahuje elektronické komponenty nezbytné k vykonání určité funkce. Nazývá se také čip nebo mikročip.

Nitrid křemíku Si ₃ N ₄ se používá při výrobě mikročipů. Původním uploaderem byl Zephyris na anglické Wikipedii.. Zdroj: Wikimedia Commons.

Si ₃ N ₄ má vynikající odolnost vůči difuzi vody, kyslíku a kovy, jako je sodík, a proto slouží jako izolační vrstva nebo bariéry.

Používá se také jako dielektrický materiál, to znamená, že je špatným vodičem elektřiny, takže pro něj působí jako izolátor.

Slouží pro mikroelektronické a fotonické aplikace (generování a detekce světelných vln). Používá se jako tenká vrstva v optických povlacích.

Je to nejběžnější dielektrický materiál používaný v kondenzátorech pro dynamickou paměť s náhodným přístupem nebo DRAM (Dynamic Random Access Memory), které se používají v počítačích.

Paměť DRAM používaná v počítačích nebo počítačích. Může obsahovat nitrid křemíku. Victorrocha. Zdroj: Wikimedia Commons.

V keramických materiálech

Keramika na bázi nitridu křemíku má vlastnosti vysoké tvrdosti a odolnosti proti opotřebení, a proto se používá v tribologických inženýrských aplikacích, tj. Tam, kde se vyskytuje velké tření a opotřebení.

Hustý Si ₃ N ₄ vykazuje vysokou pružnost, vysokou odolnost proti lomu, dobrou odolnost proti tažení nebo klouzání, vysokou tvrdost a vynikající odolnost proti erozi.

Kuličkové kuličky různých velikostí vyrobené z nitridu křemíku. Obvykle se používají ve strojích. Lucasbosch. Zdroj: Wikimedia Commons.

Toho je dosaženo, pokud je nitrid křemíku zpracovává slinování v kapalné fázi, přidání oxidu hlinitého a oxidu yttritého (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃) při teplotě 1750-1900 ° C

Spékání spočívá v tom, že se složený prášek podrobí vysokým tlakům a teplotám, aby se získal hustší a kompaktnější materiál.

Keramika na bázi nitridu křemíku může být použita například v zařízení na tavení hliníku, tj. Na velmi horkých místech, kde je přítomen roztavený hliník.

Trubka pro těsnění vyrobená z keramiky Si ₃ N ₄ a používaná v procesech s litým hliníkem. Hshkrc. Zdroj: Wikimedia Commons.

Struktura keramiky z nitridu křemíku poskytuje skvělou příležitost k optimalizaci vlastností pro specifické aplikace podle požadavků inženýrů. I mnoho z jeho potenciálních aplikací se musí uskutečnit.

Jako biomedicínský materiál

Od roku 1989 bylo stanoveno, že Si ₃ N ₄ je biokompatibilní materiál, což znamená, že může nahradit část živého organismu bez poškození a umožňující regeneraci tkáně kolem něj.

Používá se k výrobě součástí pro výměnu nebo opravu nosných kostí a také meziobratlových zařízení, tj. Malých předmětů, které umožňují opravu páteře.

Při zkouškách prováděných na lidských nebo zvířecích kostí, odbor mezi kostí a implantátů nebo Si ₃ N ₄ keramických částí došlo v krátkém čase.

Kosti lidského těla mohou být opraveny nebo nahrazeny částmi nitridu křemíku. Autor: Com329329. Zdroj: Pixabay.

Nitrid křemíku je netoxický, zvýhodňuje buněčnou adhezi, normální proliferaci nebo množení buněk a jejich diferenciaci nebo růst podle buněčného typu.

Jak se vyrábí nitrid křemíku pro biomedicinu

Pro tuto aplikaci, Si ₃ N ₄ je předem podrobena procesu slinování s přísadou oxidu hlinitého a oxidu yttritého (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃). Ta se skládá z použití tlaku a vysoké teploty k Si ₃ N ₄ prášku plus přísad.

Tento postup dává výslednému materiálu schopnost zabránit růstu bakterií, snížit riziko infekce a zvýhodnit buněčný metabolismus těla.

Tím se otevírá možnost podpory rychlejšího hojení v zařízeních pro opravu kostí.

V různých aplikacích

Používá se v aplikacích s vysokou teplotou, kde je vyžadována odolnost proti opotřebení, jako jsou ložiska (části podporující rotační pohyb ve strojích) a řezné nástroje.

Používá se také v lopatkách turbíny (stroje tvořené bubnem s lopatkami, které se otáčí při průchodu vodou nebo plynem a tím vytvářejí energii) a žhavící spoje (klouby při vysokých teplotách).

Turbínový nebo letecký motor, jeho lopatky mohou obsahovat nitrid křemíku. Autor: Lars_Nissen_Photoart. Zdroj: Pixabay.

Používá se v termočlánkových trubkách (teplotní senzory), kelímcích z roztaveného kovu a vstřikovačích raketového paliva.

Reference

1. Cotton, F. Albert a Wilkinson, Geoffrey. (1980). Pokročilá anorganická chemie. Čtvrté vydání. John Wiley a synové.
2. Americká národní lékařská knihovna. (2019). Nitrid křemíku. Obnoveno z pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Dean, JA (editor). (1973). Lange's Handbook of Chemistry. Jedenácté vydání. McGraw-Hill Book Company.
4. Zhang, JXJ a Hoshino, K. (2019). Základy nano / mikrofabrikace a efekt měřítka. In Molecular Sensors and Nanodevices (Druhé vydání). Obnoveno z sciposedirect.com.
5. Drouet, C. a kol. (2017). Druhy keramiky. Nitrid křemíku: úvod. Pokroky v keramických biomateriálech. Obnoveno z sciposedirect.com.
6. Kita, H. a kol. (2013). Recenze a přehled nitridu křemíku a SiAlON, včetně jejich aplikací. V Handbook of Advanced Ceramics (Second Edition). Obnoveno z sciposedirect.com.
7. Ho, HL a Iyer, SS (2001). DRAM. Problémy s uzly kapacit. V encyklopedii materiálů: Věda a technologie. Obnoveno z sciposedirect.com.
8. Zhang, C. (2014). Pochopení opotřebení a tribologických vlastností kompozitů s keramickou matricí. In Advances in Ceramic Matrix Composites (druhé vydání). Obnoveno z sciposedirect.com.