НІТРИД КРЕМНІЮ (SI3N4): СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ, ВИРОБНИЦТВО, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Нітриду кремнію являє собою неорганічну сполуку , що складається з азоту (N) і кремнію (Si). Його хімічна формула - Si ₃ N ₄ . Це яскраво-сірий або світло-сірий матеріал виняткової твердості та стійкості до високих температур.

Завдяки своїм властивостям нітрид кремнію застосовується в областях, де потрібна висока стійкість до зносу та високих температур. Наприклад, використовується для виготовлення ріжучих інструментів та кулькових підшипників.

Сфера нітриду кремнію Si ₃ N ₄ . Lucasbosch. Джерело: Wikimedia Commons.

Він використовується в машинах, які повинні протистояти високим механічним силам, наприклад, лопатки турбіни, подібні до великих циліндрів, де лопаті повинні обертатися з великою швидкістю з проходженням води або газів, виробляючи енергію.

Кераміка нітриду кремнію використовується для виготовлення деталей, які повинні контактувати з розплавленими металами. Вони також можуть бути використані як заміна кісток людини або тварин.

Si ₃ N ₄ має електроізоляційні властивості, тобто не передає електрику. Тому його можна використовувати в мікроелектронних додатках або в дуже маленьких електронних пристроях.

Будова

У нітриді кремнію кожен атом кремнію (Si) ковалентно пов'язаний з 4 атомами азоту (N). Навпаки, кожен атом азоту приєднаний до 3 атомів кремнію.

Тому зв’язки дуже міцні і надають сполуці високу стійкість.

Льюїсова структура нітриду кремнію Si ₃ N ₄ . Грассо Луїджі. Джерело: Wikimedia Commons.

Тривимірна структура нітриду кремнію Si ₃ N ₄ . Сірий = кремній; синій = азот. Грассо Луїджі. Джерело: Wikimedia Commons.

Нітрид кремнію має три кристалічні структури: альфа (α-Si ₃ N ₄ ), бета (β-Si ₃ N ₄ ) і гамма (γ-Si ₃ N ₄ ). Альфа та бета - найпоширеніші. Гамма отримується при високому тиску і температурі і є найтвердішою.

Номенклатура

• Нітрид кремнію
• Трисиліцій тетранітрид

Властивості

Фізичний стан

Суцільний яскраво-сірий.

Молекулярна маса

140,28 г / моль

Точка плавлення

1900 ºC

Щільність

3,44 г / см ³

Розчинність

Нерозчинний у воді. Розчинний у фтористоводневій кислоті HF.

Хімічні властивості

Це дуже стабільна сполука, завдяки тому, як атоми кремнію та азоту зв’язуються в Si ₃ N _4.

Нітрид кремнію має чудову стійкість до соляної (HCl) та сірчаної (H ₂ SO ₄ ) кислот . Він також дуже стійкий до окислення. Він стійкий до литого алюмінію та його сплавів.

Інші властивості

Має хорошу стійкість до термічного удару, високу утримування твердості при підвищених температурах, відмінну стійкість до ерозії та зносу, відмінну стійкість до корозії.

Він має виняткову твердість, що дозволяє наносити тонкі товщини матеріалу. Він зберігає свої властивості при високих температурах.

Плівки нітриду кремнію є прекрасними бар'єрами для дифузії води, кисню та металів навіть при високих температурах. Вони дуже жорсткі і мають високу діелектричну постійну, а це означає, що вони погано проводять електроенергію, тим самим виступаючи електричним ізолятором.

Саме з усіх цих причин він є підходящим матеріалом для високих температур і високих механічних навантажень.

Отримання

Його можна отримати, починаючи з реакції між аміаком (NH ₃ ) та хлоридом кремнію (SiCl ₄ ), при якому _{утворюється} амід кремнію Si (NH ₂ ) _4, який при нагріванні утворює імід, а потім нітрид кремнію Si ₃ N ₄ .

Реакцію можна підсумувати наступним чином:

Хлорид кремнію + Аміак → Нітрид кремнію + Соляна кислота

3 SiCl ₄ (газ) + 4 NH ₃ (газ) → Si ₃ N ₄ (твердий) + 12 HCl (газ)

Він також виготовляється обробкою компактного порошкоподібного кремнію (Si) азотним газом (N ₂ ) при температурі 1200-1400 ° C. Однак цей матеріал має 20-30% мікропористості, що обмежує його механічну міцність.

3 Si (твердий) + 2 N ₂ (газ) → Si ₃ N ₄ (твердий)

З цієї причини порошок Si ₃ N ₄ спікається з утворенням більш щільної кераміки, це означає, що порошок піддається високому тиску і температурі.

Програми

У галузі електроніки

Нітрид кремнію часто використовується як шар пасивації або захисту в інтегральних схемах і мікромеханічних структурах.

Інтегральна схема - це структура, яка містить електронні компоненти, необхідні для виконання певної функції. Його ще називають мікросхемою або мікрочіпом.

Нітрид кремнію Si ₃ N ₄ використовується у виробництві мікрочіпів. Оригінальним завантажувачем був Зефіріс в англійській Вікіпедії. . Джерело: Wikimedia Commons.

Si ₃ N ₄ має чудову стійкість до дифузії води, кисню та металів, таких як натрій, тому він служить ізолюючим шаром або бар'єром.

Він також використовується як діелектричний матеріал, це означає, що він поганий провідник електрики, тому він виконує роль ізолятора для нього.

Це служить для мікроелектронних та фотонних застосувань (генерація та виявлення світлових хвиль). Він використовується як тонкий шар в оптичних покриттях.

Це найпоширеніший діелектричний матеріал, який використовується в конденсаторах для динамічної пам'яті з випадковим доступом або DRAM (Dynamic Random Access Memory), які використовуються в комп'ютерах.

Пам'ять DRAM, що використовується в комп'ютерах або на комп’ютерах. Може містити нітрид кремнію. Віктороча. Джерело: Wikimedia Commons.

У керамічних матеріалах

Кераміка нітриду кремнію має властивості підвищеної твердості та стійкості до зносу, тому її застосовують у застосуваннях трибологічної інженерії, тобто застосовують там, де відбувається багато тертя та зносу.

Щільний Si ₃ N ₄ демонструє високу гнучку міцність, високу стійкість до руйнування, хорошу стійкість до повзучості, високу твердість та відмінну ерозійну стійкість.

Кульові кулі підшипників різних розмірів, виготовлені з нітриду кремнію. Вони використовуються для використання в машинах. Lucasbosch. Джерело: Wikimedia Commons.

Це отримують при обробці нітриду кремнію шляхом спікання у рідкій фазі з додаванням оксиду алюмінію та оксиду ітрію (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ) при температурі 1750-1900 ° C.

Спікання складається з піддавання складеного порошку високим тискам і температурам для отримання більш щільного і компактного матеріалу.

Кераміка нітриду кремнію може бути використана, наприклад, в обладнанні для виплавлення алюмінію, тобто в дуже гарячих місцях, де є розплавлений алюміній.

Трубка для герметизації виготовлена ​​з кераміки Si ₃ N ₄ і використовується в процесах з литим алюмінієм. Hshkrc. Джерело: Wikimedia Commons.

Структура кераміки нітриду кремнію дає чудову можливість оптимізувати властивості для конкретного застосування відповідно до вимог інженерів. Навіть багато його потенційних застосувань ще не реалізуються.

Як біомедичний матеріал

З 1989 р. Було встановлено, що Si ₃ N ₄ є біологічно сумісним матеріалом, а це означає, що він може замінити частину живого організму, не завдаючи шкоди і не допускаючи регенерації тканини навколо нього.

Він використовується для виготовлення компонентів для заміни або ремонту несучих кісток, а також міжхребцевих пристроїв, тобто дрібних предметів, що дозволяють ремонтувати хребет.

У тестах, проведених на кістках людини або тварин, з'єднання між кісткою та імплантатами або шматками кераміки Si ₃ N ₄ відбулося за короткий час .

Кістки людського тіла можна відремонтувати або замінити частинами нітриду кремнію. Автор: Com329329. Джерело: Pixabay.

Нітрид кремнію нетоксичний, він сприяє адгезії клітин, нормальній проліферації чи розмноженню клітин та їх диференціюванню чи зростанню за типом клітин.

Як виготовляється нітрид кремнію для біомедицини

Для цього застосування Si ₃ N ₄ попередньо піддають процесу спікання з добавками глинозему та оксиду ітрію (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ). Це полягає у застосуванні тиску та високої температури до порошку Si ₃ N ₄ плюс добавок.

Ця процедура надає отриманому матеріалу здатність запобігати росту бактерій, знижуючи ризик зараження та сприяючи клітинному метаболізму організму.

Таким чином, це відкриває можливість сприяти більш швидкому загоєнню в пристроях для відновлення кісток.

У різних додатках

Застосовується у високих температурах, де потрібна стійкість до зносу, наприклад, підшипники (деталі, що підтримують обертальний рух у машинах) та ріжучі інструменти.

Він також використовується в лопатках турбіни (машини, утворені барабаном з лопатями, які обертаються при проходженні води або газу і, таким чином, генерують енергію) і розжарювальних з'єднаннях (стики при високих температурах).

Турбінний або авіаційний двигун, його лопаті можуть містити нітрид кремнію. Автор: Lars_Nissen_Photoart. Джерело: Pixabay.

Застосовується в термопарних трубах (датчиках температури), розплавлених металевих тиглях та ракетних форсунках.

Список літератури

1. Коттон, Ф. Альберт і Вілкінсон, Джеффрі. (1980). Розширена неорганічна хімія. Четверте видання. Джон Вілі та сини.
2. Національна медична бібліотека США. (2019). Нітрид кремнію. Відновлено з pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Дін, JA (редактор). (1973). Підручник з хімії Ланге. Одинадцяте видання. Книжкова компанія McGraw-Hill.
4. Чжан, JXJ та Хошино, К. (2019). Основи нано / мікрофабрикації та ефект накипу. У молекулярних датчиках та наноприладах (друге видання). Відновлено з sciencedirect.com.
5. Drouet, C. та ін. (2017). Види кераміки. Нітрид кремнію: вступ. Заздалегідь в галузі керамічних біоматеріалів. Відновлено з sciencedirect.com.
6. Kita, H. та ін. (2013). Огляд та огляд нітриду кремнію та SiAlON, включаючи їх застосування. У посібнику з розширеної кераміки (друге видання). Відновлено з sciencedirect.com.
7. Ho, HL та Iyer, SS (2001). DRAM. Проблеми з ємністю вузла. В Енциклопедії матеріалів: Наука та техніка. Відновлено з sciencedirect.com.
8. Чжан, C. (2014). Розуміння зношених та трибологічних властивостей керамічних матричних композитів. Вперед за композитами з керамічної матриці (друге видання). Відновлено з sciencedirect.com.