СИЛИЦИЕВ НИТРИД (SI3N4): СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРОИЗВОДСТВО, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

В нитрид силиций е неорганично съединение, състояща се от азот (N) и силиций (Si). Химическата му формула е Si ₃ N ₄. Това е ярко сив или светлосив материал с изключителна твърдост и устойчивост на високи температури.

Благодарение на свойствата си силициевият нитрид се използва в приложения, където се изисква висока устойчивост на износване и високи температури. Например, той се използва за изработка на режещи инструменти и сачмени лагери.

Сфера на силициев нитрид Si ₃ N ₄. Lucasbosch. Източник: Wikimedia Commons.

Използва се в части от машини, които трябва да се съпротивляват на високи механични сили, като лопатките на турбината, които са като големи цилиндри, където лопатките трябва да се въртят с висока скорост с преминаването на вода или газове, произвеждайки енергия.

Силициевата нитридна керамика се използва за направата на части, които трябва да влязат в контакт с разтопени метали. Те могат да се използват и като заместител на човешки или животински кости.

Si ₃ N ₄ има електрически изолационни свойства, тоест не предава електричество. Поради това може да се използва в приложения за микроелектроника или в много малки електронни устройства.

структура

В силициев нитрид всеки силициев атом (Si) е ковалентно свързан с 4-те азотни атома (N). Обратно, всеки азотен атом е свързан към 3-те силициеви атома.

Следователно връзките са много силни и придават на съединението висока стабилност.

Структура на Луис на силициев нитрид Si ₃ N ₄. Грасо Луиджи. Източник: Wikimedia Commons.

Триизмерна структура на силициев нитрид Si ₃ N ₄. Сиво = силиций; син = азот. Грасо Луиджи. Източник: Wikimedia Commons.

Силициевият нитрид има три кристални структури: алфа (α-Si ₃ N ₄), бета (β-Si ₃ N ₄) и гама (γ-Si ₃ N ₄). Алфа и бета са най-често срещаните. Гама се получава при високи налягания и температури и е най-твърд.

номенклатура

• Силициев нитрид
• Трисиликонов тетранитрид

Имоти

Физическо състояние

Плътно ярко сиво.

Молекулно тегло

140,28 g / mol

Точка на топене

1900 ºC

плътност

3,44 гр / см ³

разтворимост

Неразтворим във вода. Разтворим в HF на флуорова киселина.

Химични свойства

Това е много стабилно съединение, поради начина, по който силициевите и азотните атоми са свързани в Si ₃ N _4.

Силициевият нитрид има отлична устойчивост на солна (HCl) и сярна (H ₂ SO ₄) киселина. Освен това е много устойчив на окисляване. Устойчив е на отливка от алуминий и неговите сплави.

Други свойства

Има добра устойчивост на термичен удар, висока задържане на твърдост при повишени температури, отлична устойчивост на ерозия и износване и отлична устойчивост на корозия.

Притежава изключителна твърдост, която позволява нанасянето на тънки дебелини на материала. Поддържа свойствата си при високи температури.

Филтрите от силициев нитрид са отлични бариери срещу дифузията на вода, кислород и метали, дори при високи температури. Те са много твърди и имат висока диелектрична константа, което означава, че те лошо провеждат електричеството, като по този начин действат като електрически изолатор.

Именно поради всички тези причини той е подходящ материал за приложения при висока температура и високо механично напрежение.

Получаване

Той може да бъде получен като се излиза от реакцията между амоняк (NH ₃) и силициев хлорид (SiCl ₄), в която силиций амид Si (NH ₂) _{се получава 4,} който при нагряване форми имид и след това нитрид силиций Si ₃ N ₄.

Реакцията може да се обобщи по следния начин:

Силициев хлорид + Амоняк → Силициев нитрид + Солна киселина

3 SiCl ₄ (газ) + 4 NH ₃ (газ) → Si ₃ N ₄ (твърдо вещество) + 12 солна киселина (газ)

Той също така се произвежда чрез третиране компактен прахообразен силициев (Si) с газ азот (N ₂) при температура 1200-1400 ° С Този материал обаче има 20-30% микропорест, което ограничава неговата механична якост.

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

Поради тази причина, прахът Si ₃ N ₄ се спече, за да се образува по-плътна керамика, това означава, че прахът е подложен на високо налягане и температура.

Приложения

В областта на електрониката

Силициевият нитрид често се използва като пасивационен или защитен слой в интегрални схеми и микромеханични структури.

Интегралната схема е структура, която съдържа електронните компоненти, необходими за изпълнение на някаква функция. Нарича се още чип или микрочип.

Силициевият нитрид Si ₃ N ₄ се използва при производството на микрочипове. Оригиналният качител беше Зефирис от английската Уикипедия., Източник: Wikimedia Commons.

Si ₃ N ₄ има отлична устойчивост на дифузия на вода, кислород и метали като натрий, поради което служи като изолационен слой или бариера.

Използва се и като диелектричен материал, това означава, че е лош проводник на електричество, така че действа като изолатор за него.

Това служи за микроелектронни и фотонни приложения (генериране и откриване на светлинни вълни). Използва се като тънък слой в оптични покрития.

Това е най-разпространеният диелектричен материал, използван в кондензатори за динамична памет с произволен достъп или DRAM (динамична памет с произволен достъп), които са тези, използвани в компютрите.

DRAM памет, използвана в компютри или компютри. Може да съдържа силициев нитрид. Victorrocha. Източник: Wikimedia Commons.

В керамични материали

Силициевият нитриден керамик има свойства на висока твърдост и устойчивост на износване, поради което се използва в трибологични инженерни приложения, тоест използва при много триене и износване.

Плътният Si ₃ N ₄ проявява висока гъвкава якост, висока устойчивост на счупване, добра устойчивост на влачене или плъзгане, висока твърдост и отлична устойчивост на ерозия.

Сферични сферични сфери с различни размери, направени със силициев нитрид. Те се използват за използване в машини. Lucasbosch. Източник: Wikimedia Commons.

Това се получава, когато силициевият нитрид се обработва чрез синтероване в течна фаза при добавяне на алуминиев оксид и итриев оксид (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃) при температури от 1750-1900 ° С.

Агломерирането се състои в подлагане на комбиниран прах на високи налягания и температури, за да се получи по-плътен и компактен материал.

Силициевият нитриден керамика може да се използва например в оборудване за топене на алуминий, т.е. много горещи места, където има разтопен алуминий.

Епруветка за уплътняване, изработена от Si ₃ N ₄ керамика и се използва в процеси с отлит алуминий. Hshkrc. Източник: Wikimedia Commons.

Структурата на силициевата нитридна керамика предоставя чудесна възможност за оптимизиране на свойствата за конкретни приложения според нуждите на инженерите. Дори много от потенциалните му приложения все още не са се реализирали.

Като биомедицински материал

От 1989 г. е установено, че Si ₃ N ₄ е биосъвместим материал, което означава, че може да замени част от жив организъм, без да причинява увреждане и да позволява регенерация на тъканта около него.

Използва се за производство на компоненти за подмяна или ремонт на носещи кости, а също и междупрешленни устройства, тоест малки предмети, които позволяват поправяне на гръбначния стълб.

В тестове, проведени върху човешки или животински кости, съединението между костта и имплантите или Si ₃ N ₄ керамични парчета се случи за кратко време.

Костите на човешкото тяло могат да бъдат поправени или заменени с части от силициев нитрид. Автор: Com329329. Източник: Pixabay

Силициевият нитрид не е токсичен, той благоприятства клетъчната адхезия, нормалната пролиферация или размножаване на клетките и тяхното диференциране или растеж по клетъчен тип.

Как се прави силициевият нитрид за биомедицина

За това приложение Si ₃ N ₄ предварително се подлага на синтероване с добавки на алуминиев оксид и итриев оксид (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃). Това се състои в прилагане на налягане и висока температура на прах Si ₃ N ₄ плюс добавки.

Тази процедура дава на получения материал способността да предотвратява растежа на бактериите, намалявайки риска от инфекция и благоприятствайки клетъчния метаболизъм на организма.

По този начин тя отваря възможността за насърчаване на по-бързото заздравяване в устройства за възстановяване на костите.

В различни приложения

Използва се при приложения с висока температура, където се изисква устойчивост на износване, като например лагери (части, които поддържат въртеливото движение в машините) и режещи инструменти.

Използва се и в турбинни лопатки (машини, образувани от барабан с лопатки, които се въртят при преминаване на вода или газ и по този начин генерират енергия) и нажежаеми връзки (фуги при високи температури).

Турбинен или самолетен двигател, остриетата му могат да съдържат силициев нитрид. Автор: Lars_Nissen_Photoart. Източник: Pixabay

Използва се в термодвойки (термодатчици), разтопени метални тигели и инжектори за ракетно гориво.

Препратки

1. Котън, Ф. Алберт и Уилкинсън, Джефри. (1980 г.). Разширена неорганична химия. Четвърто издание. John Wiley & Sons.
2. Национална медицинска библиотека на САЩ. (2019). Силициев нитрид. Възстановени от pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Дийн, JA (редактор). (1973). Наръчник по химия на Ланге. Единадесето издание. McGraw-Hill Book Company.
4. Джан, JXJ и Хошино, К. (2019). Основи на нано / микрофабрикат и мащабен ефект. В молекулярни сензори и наноустройства (второ издание). Възстановени от sciencedirect.com.
5. Drouet, C. et al. (2017). Видове керамика. Силициев нитрид: въведение. Предварително в керамичните биоматериали. Възстановени от sciencedirect.com.
6. Kita, H. et al. (2013). Преглед и преглед на силициев нитрид и SiAlON, включително техните приложения. В Наръчник за усъвършенствана керамика (второ издание). Възстановени от sciencedirect.com.
7. Ho, HL и Iyer, SS (2001). Динамични памети. Проблеми с капацитета на възлите В Енциклопедия на материалите: Наука и технологии. Възстановени от sciencedirect.com.
8. Джан, С. (2014). Разбиране на износването и трибологичните свойства на керамичните матрични композити. В аванси в композитите от керамична матрица (второ издание). Възстановени от sciencedirect.com.