- Szerkezet
- Elnevezéstan
- Tulajdonságok
- Fizikai állapot
- Molekuláris tömeg
- Olvadáspont
- Sűrűség
- Oldhatóság
- Kémiai tulajdonságok
- Egyéb tulajdonságok
- beszerzése
- Alkalmazások
- Az elektronika területén
- Kerámia anyagokban
- Mint orvosbiológiai anyag
- Hogyan készítik a szilícium-nitridet az orvosbiológia számára?
- Különböző alkalmazásokban
- Irodalom
A szilícium-nitrid egy szervetlen vegyület, amely nitrogénből (N) és szilíciumból (Si) áll. Vegyi képlete: Si 3 N 4. Világosszürke vagy világosszürke anyag, kivételes keménységgel és ellenálló a magas hőmérsékleten.
Tulajdonságai miatt a szilícium-nitrid olyan alkalmazásokban használható, ahol nagy a kopásállóság és a magas hőmérséklet. Például vágószerszámok és golyóscsapágyak készítésére használják.
Szilícium-nitrid gömb Si 3 N 4. Lucasbosch. Forrás: Wikimedia Commons.
Olyan gépelemekben használják, amelyeknek ellen kell állniuk a nagy mechanikai erõknek, például a turbinapengéknél, amelyek olyanok, mint a nagy hengerek, ahol a pengéknek nagy sebességgel kell forogniuk víz vagy gázok áthaladásával energiát termelve.
A szilícium-nitrid kerámiákat olyan alkatrészek gyártásához használják, amelyeknek az olvadt fémekkel érintkezésbe kell kerülniük. Használhatók emberi vagy állati csontok pótlására is.
A Si 3 N 4 elektromos szigetelő tulajdonságokkal rendelkezik, vagyis nem továbbítja a villamos energiát. Ezért felhasználható mikroelektronikai alkalmazásokban vagy nagyon kicsi elektronikus eszközökben.
Szerkezet
A szilícium-nitridben minden szilícium-atom (Si) kovalensen kötődik a 4 nitrogénatomhoz (N). És fordítva, minden nitrogénatom kapcsolódik a 3 szilícium atomhoz.
Ezért a kötések nagyon erősek és nagy stabilitást adnak a vegyületnek.
A Si 3 N 4 szilícium-nitrid Lewis-szerkezete. Grasso Luigi. Forrás: Wikimedia Commons.
A Si 3 N 4 szilícium-nitrid háromdimenziós szerkezete. Szürke = szilícium; kék = nitrogén. Grasso Luigi. Forrás: Wikimedia Commons.
A szilícium-nitridnek három kristályszerkezete van: alfa (α-Si 3 N 4), béta (β-Si 3 N 4) és gamma (γ-Si 3 N 4). Az alfa és a béta a leggyakoribb. A gamma magas nyomáson és hőmérsékleten nyerhető, és a legkeményebb.
Elnevezéstan
- Szilícium-nitrid
- Triszilikon tetranitrid
Tulajdonságok
Fizikai állapot
Szilárd világosszürke.
Molekuláris tömeg
140,28 g / mol
Olvadáspont
1900 ºC
Sűrűség
3,44 g / cm 3
Oldhatóság
Vízben nem oldódik. Fluor-hidrogénsavban oldódik.
Kémiai tulajdonságok
Ez egy nagyon stabil vegyület, módja miatt a szilícium és nitrogénatomok vannak ragasztva Si 3 N 4.
Szilícium-nitrid kiválóan ellenáll a hidrogén-klorid (HCI) és a kénsav (H 2 SO 4) savak. Nagyon ellenálló az oxidációval szemben. Ellenáll az öntött alumínium és ötvözetei számára.
Egyéb tulajdonságok
Jó hőállósági képessége, magas keménységmegtartó képessége magas hőmérsékleten, kitűnő erózió- és kopásállóságú, valamint kiválóan ellenáll a korróziónak.
Kivételes keménységgel rendelkezik, amely lehetővé teszi vékony vastagságú anyagok felhordását. Magas hőmérsékleten fenntartja tulajdonságait.
A szilícium-nitrid filmek kiváló akadályok a víz, az oxigén és a fémek diffúziójában, még magas hőmérsékleten is. Nagyon kemények és magas dielektromos állandóval rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy rosszul vezetik az elektromosságot, tehát elektromos szigetelőként működnek.
Mindezek miatt alkalmas a magas hőmérsékletű és nagy mechanikai igénybevételű alkalmazásokhoz.
beszerzése
Meg lehet kiindulva kapunk a reakció közötti ammónia (NH 3) és szilícium-klorid (SiCl 4), amelyben a szilícium-amid Si (NH 2) 4 keletkezik, amely melegítés imidet képez, majd a szilícium-nitrid Si 3 N 4.
A reakció a következőképpen foglalható össze:
Szilícium-klorid + Ammónia → Szilícium-nitrid + Sósav
3SiCI 4 (gáz) + 4 NH 3 (gáz) → Si 3 N 4 (szilárd) + 12 HCI (gáz)
Ugyancsak előállítják úgy, hogy a kompakt por alakú szilíciumot (Si) nitrogén gázzal (N 2) kezelik 1200–1400 ° C hőmérsékleten. Ennek az anyagnak azonban 20-30% -os mikroporozitása van, amely korlátozza annak mechanikai szilárdságát.
3 Si (szilárd) + 2 N 2 (gáz) → Si 3 N 4 (szilárd)
Emiatt, a Si 3 N 4 port szintereljük alkotnak sűrűbb kerámia, ez azt jelenti, hogy a por ki van téve, hogy a magas nyomás és hőmérséklet.
Alkalmazások
Az elektronika területén
A szilícium-nitridet gyakran használják passzivációs vagy védőrétegként az integrált áramkörökben és a mikromechanikai struktúrákban.
Az integrált áramkör olyan struktúra, amely egyes funkciók végrehajtásához szükséges elektronikus alkatrészeket tartalmazza. Chipnek vagy mikrochipnek is hívják.
A Si 3 N 4 szilícium-nitridet mikrochip gyártásában használják. Az eredeti feltöltő Zephyris volt az angol Wikipedia-ban.. Forrás: Wikimedia Commons.
A Si 3 N 4 kiválóan ellenáll a víz, az oxigén és a fémek, például a nátrium diffúziójának, ezért szigetelő rétegként vagy gátként szolgál.
Dielektromos anyagként is használják, ez azt jelenti, hogy rossz áramvezető, tehát szigetelőként működik.
Ez mikroelektronikai és fotonikus alkalmazásokhoz szolgál (fényhullámok generálása és detektálása). Vékony rétegként használják az optikai bevonatokban.
Ez a leggyakoribb dielektromos anyag, amelyet a dinamikus véletlen hozzáférésű memória vagy DRAM (dinamikus véletlen hozzáférésű memória) kondenzátorokban használnak, amelyeket a számítógépekben használnak.
Számítógépekben vagy számítógépekben használt DRAM memória. Szilícium-nitridet tartalmazhat. Victorrocha. Forrás: Wikimedia Commons.
Kerámia anyagokban
A szilícium-nitrid kerámia nagy keménységgel és kopásállósággal rendelkezik, ezért tribológiai mérnöki alkalmazásokban használják, azaz olyan területeken, ahol nagy a súrlódás és kopás.
A sűrű Si 3 N 4 kiváló rugalmasságot, nagy törési ellenállást, jó ellenállást húzással vagy csúszással szemben, nagy keménységet és kiváló ellenálló képességet mutat.
Különböző méretű gömbcsapágygömbök, szilícium-nitriddel készítve. Általában a gépekben használják. Lucasbosch. Forrás: Wikimedia Commons.
Ezt akkor kapjuk, amikor a szilícium-nitridet a folyékony fázisban történő szinterezéssel dolgozzuk fel alumínium-oxid és ittrium-oxid (Al 2 O 3 + Y 2 O 3) hozzáadásával 1750–1900 ° C hőmérsékleten.
A szinterezés során egy vegyületport magas nyomásnak és hőmérsékletnek kell kitenni, hogy sűrűbb és kompaktabb anyagot kapjunk.
A szilícium-nitrid kerámia felhasználható például alumínium-olvasztó berendezésekben, azaz nagyon forró helyeken, ahol az olvadt alumínium van jelen.
Szigetelőcső Si 3 N 4 kerámiaból és öntött alumíniumból történő felhasználáshoz. Hshkrc. Forrás: Wikimedia Commons.
A szilícium-nitrid kerámia szerkezete nagyszerű lehetőséget kínál a tulajdonságok optimalizálására konkrét alkalmazásokhoz, a mérnökök igényei szerint. Még sok potenciális alkalmazásának még nem valósult meg.
Mint orvosbiológiai anyag
Mivel 1989-ben megállapították, hogy Si 3 N 4 egy biokompatibilis anyagból, amely azt jelenti, hogy egy részét helyettesítik egy élő szervezet károsítása nélkül, és lehetővé teszi a regenerációs a szövetek körül.
Komponensek gyártására használják a teherhordó csontok cseréjére vagy javítására, valamint az intervertebralis eszközökre, azaz olyan kis tárgyakra, amelyek lehetővé teszik a gerinc javítását.
Az emberi vagy állati csontokkal végzett vizsgálatok során a csont és az implantátumok, vagy a Si 3 N 4 kerámiadarabok közötti összekapcsolódás rövid idő alatt megtörtént.
Az emberi test csontjait kijavíthatják vagy kicserélhetik szilikonnitridre. Szerző: Com329329. Forrás: Pixabay.
A szilícium-nitrid nem mérgező, elősegíti a sejtek adhézióját, a sejtek normális szaporodását vagy szaporodását, valamint differenciálódását vagy növekedését sejttípusonként.
Hogyan készítik a szilícium-nitridet az orvosbiológia számára?
Ehhez az alkalmazáshoz az Si 3 N 4- et korábban szinterezési eljárásnak vetik alá alumínium-oxid és ittrium-oxid adalékokkal (Al 2 O 3 + Y 2 O 3). Ez abból áll, hogy nyomást és magas hőmérsékletet alkalmaznak a Si 3 N 4 porra és az adalékanyagokra.
Ez az eljárás lehetővé teszi a kapott anyagnak a baktériumok szaporodásának megakadályozását, csökkentve a fertőzés kockázatát és elősegítve a test sejt anyagcseréjét.
Így lehetővé teszi a gyorsabb gyógyulás elősegítését a csontjavító eszközökben.
Különböző alkalmazásokban
Magas hőmérsékleten alkalmazzák, ahol kopásállóságra van szükség, például csapágyakban (alkatrészek, amelyek támogatják a gépek forgási mozgását) és vágószerszámokban.
Turbinalapátokban (gépek, amelyeket dob alkot, olyan lapátokkal, amelyek víz vagy gáz áthaladásakor forognak, és így energiát termelnek) és izzító csatlakozásokban (csuklók magas hőmérsékleten).
Turbina vagy repülőgép-motor, pengei tartalmazhatnak szilícium-nitridet. Szerző: Lars_Nissen_Photoart. Forrás: Pixabay.
Hőelemcsövekben (hőmérséklet-érzékelők), olvadt fém tégelyekben és rakétaüzemanyag-injektorokban használják.
Irodalom
- Cotton, F. Albert és Wilkinson, Geoffrey. (1980). Fejlett szervetlen kémia. Negyedik kiadás. John Wiley & Sons.
- Az Egyesült Államok Nemzeti Orvostudományi Könyvtára. (2019). Szilícium-nitrid. Helyreállítva a pubchem.ncbi.nlm.nih.gov webhelyről.
- Dean, JA (szerkesztő). (1973). Lange kémiai kézikönyve. Tizenegyedik kiadás. McGraw-Hill könyvtár.
- Zhang, JXJ és Hoshino, K. (2019). A nano / mikrofabrikáció alapjai és a skálahatás. Molekuláris érzékelőkben és nano készülékekben (második kiadás). Helyreállítva a sciencedirect.com webhelyről.
- Drouet, C. et al. (2017). A kerámia típusai. Szilícium-nitrid: bevezetés. Előrelépés a kerámia biomatermékek területén. Helyreállítva a sciencedirect.com webhelyről.
- Kita, H. és mtsai. (2013). Szilícium-nitrid és SiAlON áttekintése és áttekintése, alkalmazásukkal együtt. A fejlett kerámia kézikönyvében (második kiadás). Helyreállítva a sciencedirect.com webhelyről.
- Ho, HL és Iyer, SS (2001). DRAM. Csomópont kapacitási problémák. Anyag enciklopédia: Tudomány és technológia. Helyreállítva a sciencedirect.com webhelyről.
- Zhang, C. (2014). A kerámia mátrix kompozitok kopásának és tribológiai tulajdonságainak megértése. Előzetesen a kerámia mátrix kompozitokban (második kiadás). Helyreállítva a sciencedirect.com webhelyről.