NITRID KREMÍKA (SI3N4): ŠTRUKTÚRA, VLASTNOSTI, VÝROBA, POUŽITIE - CHÉMIA - 2026

Nitrid kremíka je anorganická zlúčenina skladajúca sa z dusíka (N) a kremíka (Si). Jeho chemický vzorec je Si ₃ N ₄ . Je to svetlo šedý alebo svetlo šedý materiál s mimoriadnou tvrdosťou a odolnosťou proti vysokým teplotám.

Vďaka svojim vlastnostiam sa nitrid kremíka používa v aplikáciách, kde sa vyžaduje vysoká odolnosť proti opotrebeniu a vysoké teploty. Používa sa napríklad na výrobu rezných nástrojov a guľkových ložísk.

Nitrid kremíka Sphere Si ₃ N ₄ . Lucasbosch. Zdroj: Wikimedia Commons.

Používa sa v kusoch strojových zariadení, ktoré musia odolávať vysokým mechanickým silám, ako sú lopatky turbíny, ktoré sú ako veľké valce, kde sa lopatky musia otáčať pri vysokých rýchlostiach s priechodom vody alebo plynov a produkovať energiu.

Keramika na báze nitridu kremíka sa používa na výrobu častí, ktoré musia prísť do styku s roztavenými kovmi. Môžu sa tiež použiť ako náhrada ľudských kostí alebo zvierat.

Si ₃ N ₄ má elektrické izolačné vlastnosti, to znamená, že neprenáša elektrinu. Preto sa dá použiť v mikroelektronických aplikáciách alebo vo veľmi malých elektronických zariadeniach.

štruktúra

V nitride kremíka je každý atóm kremíka (Si) kovalentne viazaný so 4 atómami dusíka (N). Naopak, každý atóm dusíka je pripojený k 3 atómom kremíka.

Preto sú väzby veľmi silné a dávajú zlúčenine vysokú stabilitu.

Lewis štruktúra nitridu kremíka Si ₃ N ₄ . Grasso Luigi. Zdroj: Wikimedia Commons.

Trojrozmerná štruktúra nitridu kremíka Si ₃ N ₄ . Šedá = kremík; modrá = dusík. Grasso Luigi. Zdroj: Wikimedia Commons.

Nitrid kremíka má tri kryštalickej štruktúry: alfa (α-Si ₃ N ₄ ), beta (β-Si ₃ N ₄ ) a gama (γ-Si ₃ N ₄ ). Alfa a beta sú najbežnejšie. Gama sa získava pri vysokých tlakoch a teplotách a je najťažší.

názvoslovie

• Nitrid kremíka
• Trisilicon tetranitride

vlastnosti

Fyzický stav

Plná svetlošedá.

Molekulová hmotnosť

140,28 g / mol

Bod topenia

1900 ° C

Hustota

3,44 g / cm ³

rozpustnosť

Nerozpustný vo vode. Rozpustný v kyseline fluorovodíkovej HF.

Chemické vlastnosti

Jedná sa o veľmi stabilné zlúčeninu, vzhľadom na spôsob, akým kremíka a atómy dusíka sú viazané na Si ₃ N _4.

Nitrid kremíka má vynikajúcu odolnosť voči chlorovodíkovej (HCl) a kyselina sírová (H ₂ SO ₄ ) kyseliny . Je tiež veľmi odolný voči oxidácii. Je odolný proti liatému hliníku a jeho zliatinám.

Ďalšie vlastnosti

Má dobrú odolnosť proti tepelným šokom, vysokú retenciu tvrdosti pri zvýšených teplotách, vynikajúcu odolnosť proti erózii a opotrebeniu a vynikajúcu odolnosť proti korózii.

Má výnimočnú tvrdosť, ktorá umožňuje aplikáciu tenkých hrúbok materiálu. Svoje vlastnosti si zachováva pri vysokých teplotách.

Fólie z nitridu kremíka sú vynikajúcou bariérou pri difúzii vody, kyslíka a kovov, a to aj pri vysokých teplotách. Sú veľmi tvrdé a majú vysokú dielektrickú konštantu, čo znamená, že nevedú elektrinu a pôsobia ako elektrický izolátor.

Z týchto dôvodov je to vhodný materiál pre aplikácie s vysokou teplotou a vysokým mechanickým namáhaním.

získanie

To môže byť získané z reakcie medzi amoniakom (NH ₃ ) a chloridu kremičitého (SiCl ₄ ), v ktorom je kremík Si amid (NH ₂ ) _{sa vyrába 4,} ktorý sa pri zahriatí tvorí imidy a potom na nitridu kremíka Si ₃ N ₄ .

Reakciu je možné zhrnúť takto:

Chlorid kremičitý + amoniak → nitrid kremíka + kyselina chlorovodíková

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

To je tiež vyrába spracovaním kompaktný práškového kremíka (Si) s plynným dusíkom (N ₂ ) pri teplote 1200-1400 ° C Tento materiál má však 20-30% mikroporozitu, ktorá obmedzuje jeho mechanickú pevnosť.

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

Z tohto dôvodu je Si ₃ N ₄ prášok sintruje pre vytvorenie hustejší keramiky, to znamená, že prášok sa pod vysokým tlakom a teplotou.

aplikácia

V oblasti elektroniky

Nitrid kremíka sa často používa ako pasivačná alebo ochranná vrstva v integrovaných obvodoch a mikromechanických štruktúrach.

Integrovaný obvod je štruktúra, ktorá obsahuje elektronické komponenty potrebné na vykonávanie určitej funkcie. Nazýva sa aj čip alebo mikročip.

Nitrid kremíka Si ₃ N ₄ sa používa pri výrobe mikročipov. Pôvodným používateľom nahrávania bol Zephyris na anglickej Wikipédii. , Zdroj: Wikimedia Commons.

Si ₃ N ₄ má vynikajúcu odolnosť voči difúzii vody, kyslíka a kovy, ako je sodík, a preto slúži ako izolačná vrstva alebo bariéry.

Používa sa tiež ako dielektrický materiál, to znamená, že je zlým vodičom elektriny, a preto preň pôsobí ako izolátor.

Slúži pre mikroelektronické a fotonické aplikácie (generovanie a detekcia svetelných vĺn). Používa sa ako tenká vrstva v optických povlakoch.

Je to najbežnejší dielektrický materiál používaný v kondenzátoroch pre dynamickú pamäť s priamym prístupom alebo DRAM (Dynamic Random Access Memory), ktoré sa používajú v počítačoch.

Pamäť DRAM používaná v počítačoch alebo počítačoch. Môže obsahovať nitrid kremíka. Victorrocha. Zdroj: Wikimedia Commons.

V keramických materiáloch

Keramika na báze nitridu kremíka má vlastnosti vysokej tvrdosti a odolnosti proti opotrebeniu, preto sa používa v tribologických inžinierskych aplikáciách, to znamená v oblastiach, kde dochádza k veľkému treniu a opotrebovaniu.

Hustá Si ₃ N ₄ vykazuje vysoko flexibilné pevnosť, vysoká odolnosť zlomenina, dobrú odolnosť voči ťahanie alebo posuvné, vysokú tvrdosť a vynikajúcu odolnosť proti erózii.

Guľôčkové guličky rôznych veľkostí vyrobené z nitridu kremíka. Zvyčajne sa používajú v strojoch. Lucasbosch. Zdroj: Wikimedia Commons.

Toto je dosiahnuté, ak je nitrid kremíka spracováva spekaním v kvapalnej fáze po pridaní oxidu hlinitého a oxidu ytritého (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ) pri teplote 1750-1900 ° C

Spekanie spočíva v podrobení zloženého prášku vysokým tlakom a teplotám, aby sa získal hustejší a kompaktnejší materiál.

Keramika na báze nitridu kremíka sa môže použiť napríklad v zariadeniach na tavenie hliníka, t.j. na veľmi horúcich miestach, kde je prítomný roztavený hliník.

Trubica na utesnenie vyrobená z keramiky Si ₃ N ₄ a používaná v procesoch s liatým hliníkom. Hshkrc. Zdroj: Wikimedia Commons.

Štruktúra keramiky z nitridu kremíka poskytuje veľkú príležitosť na optimalizáciu vlastností pre konkrétne aplikácie podľa požiadaviek technikov. Aj mnohé z jeho potenciálnych aplikácií sa ešte musia naplniť.

Ako biomedicínsky materiál

Od roku 1989 sa zistilo, že Si ₃ N ₄ je biokompatibilný, čo znamená, že môže nahradiť časť živého organizmu, bez toho aby došlo k poškodeniu a umožňuje regeneráciu tkaniva okolo neho.

Používa sa na výrobu komponentov na výmenu alebo opravu nosných kostí a tiež medziobratlových zariadení, to znamená malých predmetov, ktoré umožňujú opravu chrbtice.

Pri skúškach vykonávaných na ľudských alebo zvieracích kostí, odbor medzi kosťou a implantátov alebo Si ₃ N ₄ keramických častí došlo v krátkom čase .

Kosti ľudského tela môžu byť opravené alebo nahradené časťami nitridu kremíka. Autor: Com329329. Zdroj: Pixabay.

Nitrid kremíka je netoxický, podporuje bunkovú adhéziu, normálnu proliferáciu alebo množenie buniek a ich diferenciáciu alebo rast podľa typu bunky.

Ako sa vyrába nitrid kremíka pre biomedicínu

Pre túto aplikáciu, Si ₃ N ₄ je vopred podrobená procesu spekanie s prísadou oxidu hlinitého a oxidu ytritého (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ). Tá sa skladá z použitia tlaku a vysokej teploty k Si ₃ N ₄ prášku plus prísad.

Tento postup dáva výslednému materiálu schopnosť zabrániť bakteriálnemu rastu, znižuje riziko infekcie a podporuje bunkový metabolizmus tela.

Tým sa otvára možnosť podporovať rýchlejšie hojenie v zariadeniach na opravu kostí.

V rôznych aplikáciách

Používa sa pri vysokoteplotných aplikáciách, kde sa vyžaduje odolnosť proti opotrebeniu, ako sú ložiská (časti, ktoré podporujú rotačný pohyb v strojoch) a rezné nástroje.

Používa sa tiež v lopatkách turbíny (stroje tvorené bubnom s lopatkami, ktoré sa otáčajú pri prechode vodou alebo plynom a vytvárajú tak energiu) a žiarovkové spojenia (spoje pri vysokých teplotách).

Turbínový alebo letecký motor, jeho lopatky môžu obsahovať nitrid kremíka. Autor: Lars_Nissen_Photoart. Zdroj: Pixabay.

Používa sa v termočlánkových trubiciach (snímače teploty), kelímkoch z roztaveného kovu a vstrekovačoch raketového paliva.

Referencie

1. Cotton, F. Albert a Wilkinson, Geoffrey. (1980). Pokročilá anorganická chémia. Štvrté vydanie. John Wiley a synovia.
2. Americká národná lekárska knižnica. (2019). Nitrid kremíka. Získané z pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Dean, JA (redaktor). (1973). Lange's Handbook of Chemistry. Jedenáste vydanie. McGraw-Hill Book Company.
4. Zhang, JXJ a Hoshino, K. (2019). Základy nanomateriálu a mikrofabrikácie a efekt mierky. In Molecular Sensors and Nanodevices (druhé vydanie). Obnovené zo stránky sciusalirect.com.
5. Drouet, C. a kol. (2017). Druhy keramiky. Nitrid kremíka: úvod. Pokroky v keramických biomateriáloch. Obnovené zo stránky sciusalirect.com.
6. Kita, H. a kol. (2013). Preskúmanie a prehľad nitridu kremíka a SiAlON vrátane ich aplikácií. V Handbook of Advanced Ceramics (Druhé vydanie). Obnovené zo stránky sciusalirect.com.
7. Ho, HL a Iyer, SS (2001). DRAM. Problémy s uzlom kapacity. In Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Obnovené zo stránky sciusalirect.com.
8. Zhang, C. (2014). Pochopenie opotrebenia a tribologických vlastností kompozitov s keramickou matricou. In Advances in Ceramic Matrix Composites (2. vydanie). Obnovené zo stránky sciusalirect.com.