НИТРИД КРЕМНИЯ (SI3N4): СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, ПОЛУЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2026

Нитрида кремния представляет собой неорганическое соединение , состоящее из азота (N) и кремния (Si). Его химическая формула - Si ₃ N ₄ . Это ярко-серый или светло-серый материал исключительной твердости и устойчивости к высоким температурам.

Благодаря своим свойствам нитрид кремния используется там, где требуется высокая устойчивость к износу и высоким температурам. Например, из него делают режущие инструменты и шариковые подшипники.

Сфера из нитрида кремния Si ₃ N ₄ . Лукасбош. Источник: Wikimedia Commons.

Он используется в механизмах, которые должны противостоять высоким механическим силам, например, в лопатках турбины, которые похожи на большие цилиндры, в которых лопасти должны вращаться с высокой скоростью с прохождением воды или газов, производя энергию.

Керамика из нитрида кремния используется для изготовления деталей, которые должны контактировать с расплавленными металлами. Их также можно использовать в качестве замены костей человека или животных.

Si ₃ N ₄ обладает электроизоляционными свойствами, то есть не пропускает электричество. Поэтому его можно использовать в приложениях микроэлектроники или в очень маленьких электронных устройствах.

Структура

В нитриде кремния каждый атом кремния (Si) ковалентно связан с 4 атомами азота (N). И наоборот, каждый атом азота присоединен к 3 атомам кремния.

Следовательно, связи очень прочные и придают составу высокую стабильность.

Структура Льюиса нитрида кремния Si ₃ N ₄ . Грассо Луиджи. Источник: Wikimedia Commons.

Трехмерная структура нитрида кремния Si ₃ N ₄ . Серый = кремний; синий = азот. Грассо Луиджи. Источник: Wikimedia Commons.

Нитрид кремния имеет три кристаллические структуры: альфа (α-Si ₃ N ₄ ), бета (β-Si ₃ N ₄ ) и гамма (γ-Si ₃ N ₄ ). Альфа и бета - самые распространенные. Гамма получается при высоких давлениях и температурах и является наиболее сложной.

Номенклатура

• Нитрид кремния
• Тетранитрид трисиликония

свойства

Физическое состояние

Сплошной ярко-серый.

Молекулярный вес

140,28 г / моль

Температура плавления

1900 ºC

плотность

3,44 г / см ³

Растворимость

Нерастворим в воде. Растворим в плавиковой кислоте HF.

Химические свойства

Это очень стабильное соединение благодаря тому, как атомы кремния и азота связаны в Si ₃ N _4.

Нитрид кремния обладает отличной стойкостью к соляной (HCl) и серной (H ₂ SO ₄ ) кислотам . Он также очень устойчив к окислению. Устойчив к литью алюминия и его сплавов.

Другие свойства

Он обладает хорошей стойкостью к тепловому удару, высокой твердостью при повышенных температурах, отличной стойкостью к эрозии и износу, а также отличной стойкостью к коррозии.

Он обладает исключительной твердостью, что позволяет наносить материал малой толщины. Сохраняет свои свойства при высоких температурах.

Пленки нитрида кремния являются отличным барьером для диффузии воды, кислорода и металлов даже при высоких температурах. Они очень твердые и обладают высокой диэлектрической проницаемостью, что означает, что они плохо проводят электричество, действуя таким образом как электрический изолятор.

По всем этим причинам он является подходящим материалом для работы при высоких температурах и высоких механических нагрузках.

получение

Его можно получить, исходя из реакции между аммиаком (NH ₃ ) и хлоридом кремния (SiCl ₄ ), в которой образуется амид кремния Si (NH ₂ ) _4, который при нагревании образует имид, а затем нитрид кремния Si ₃ N ₄ .

Реакцию можно резюмировать следующим образом:

Хлорид кремния + аммиак → нитрид кремния + соляная кислота

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

Его также производят путем обработки компактного порошкового кремния (Si) газообразным азотом (N ₂ ) при температурах 1200-1400 ° C. Однако микропористость этого материала составляет 20-30%, что ограничивает его механическую прочность.

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

По этой причине порошок Si ₃ N ₄ спекается с образованием более плотной керамики, это означает, что порошок подвергается воздействию высокого давления и температуры.

Приложения

В области электроники

Нитрид кремния часто используется в качестве пассивирующего или защитного слоя в интегральных схемах и микромеханических структурах.

Интегральная схема - это структура, которая содержит электронные компоненты, необходимые для выполнения некоторых функций. Его еще называют чипом или микрочипом.

Нитрид кремния Si ₃ N ₄ используется в производстве микрочипов. Первоначально загрузил Zephyris из английской Википедии. . Источник: Wikimedia Commons.

Si ₃ N ₄ имеет отличную стойкость к диффузии воды, кислорода и металлов, таких как натрий, поэтому он служит изолирующим слоем или барьером.

Он также используется в качестве диэлектрического материала, это означает, что он плохо проводит электричество, поэтому действует для него как изолятор.

Это служит для микроэлектронных и фотонных приложений (генерация и обнаружение световых волн). Он используется в качестве тонкого слоя в оптических покрытиях.

Это наиболее распространенный диэлектрический материал, используемый в конденсаторах для динамической памяти с произвольным доступом или DRAM (динамической памяти с произвольным доступом), которые используются в компьютерах.

Память DRAM, используемая в компьютерах или компьютерах. Может содержать нитрид кремния. Викторроча. Источник: Wikimedia Commons.

В керамических материалах

Керамика из нитрида кремния имеет свойства высокой твердости и устойчивости к износу, поэтому она используется в трибологической инженерии, то есть там, где возникает сильное трение и износ.

Плотный Si ₃ N ₄ демонстрирует высокую гибкость, высокое сопротивление разрушению, хорошее сопротивление трению или скольжению, высокую твердость и отличную стойкость к эрозии.

Шариковые шарики различных размеров из нитрида кремния. Их используют в технике. Лукасбош. Источник: Wikimedia Commons.

Это получается, когда нитрид кремния обрабатывается спеканием в жидкой фазе с добавлением оксида алюминия и оксида иттрия (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ) при температурах 1750-1900 ° C.

Спекание заключается в воздействии на составной порошок высоких давлений и температур для получения более плотного и компактного материала.

Керамика из нитрида кремния может использоваться, например, в оборудовании для плавки алюминия, то есть в очень горячих местах, где присутствует расплавленный алюминий.

Трубка для уплотнения из керамики Si ₃ N _4, используемая в процессах с литым алюминием. Hshkrc. Источник: Wikimedia Commons.

Структура керамики из нитрида кремния дает прекрасную возможность оптимизировать свойства для конкретных применений в соответствии с требованиями инженеров. Даже многие из его потенциальных приложений еще не реализованы.

Как биомедицинский материал

С 1989 года было установлено, что Si ₃ N ₄ является биосовместимым материалом, что означает, что он может заменять часть живого организма, не вызывая повреждений и не позволяя регенерации ткани вокруг него.

Он используется для изготовления компонентов для замены или ремонта несущих костей, а также межпозвонковых устройств, то есть небольших предметов, позволяющих восстановить позвоночник.

В испытаниях, проведенных на костях человека или животных, соединение кости и имплантата или керамических элементов Si ₃ N ₄ произошло за короткое время .

Кости человеческого тела можно отремонтировать или заменить частями из нитрида кремния. Автор: Com329329. Источник: Pixabay.

Нитрид кремния нетоксичен, он способствует адгезии клеток, нормальной пролиферации или размножению клеток и их дифференциации или росту в зависимости от типа клеток.

Как производится нитрид кремния для биомедицины

Для этого применения Si ₃ N ₄ предварительно подвергают процессу спекания с добавками оксида алюминия и оксида иттрия (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ). Он заключается в приложении давления и высокой температуры к порошку Si ₃ N ₄ плюс добавки.

Эта процедура позволяет полученному материалу предотвращать рост бактерий, снижая риск заражения и способствуя клеточному метаболизму организма.

Таким образом, это открывает возможность ускорения заживления в устройствах для восстановления костей.

В различных приложениях

Он используется в высокотемпературных приложениях, где требуется устойчивость к износу, например, в подшипниках (детали, поддерживающие вращательное движение в машинах) и режущих инструментах.

Он также используется в лопатках турбин (машины, образованные барабаном с лопастями, которые вращаются при прохождении воды или газа и, таким образом, вырабатывают энергию) и соединениях накаливания (соединения при высоких температурах).

Турбинный или авиационный двигатель, его лопатки могут содержать нитрид кремния. Автор: Lars_Nissen_Photoart. Источник: Pixabay.

Он используется в трубках термопар (датчики температуры), тиглях из расплавленного металла и форсунках ракетного топлива.

Ссылки

1. Коттон, Ф. Альберт и Уилкинсон, Джеффри. (1980). Продвинутая неорганическая химия. Четвертое издание. Джон Вили и сыновья.
2. Национальная медицинская библиотека США. (2019). Нитрид кремния. Получено с pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Дин, JA (редактор). (1973). Справочник Ланге по химии. Одиннадцатое издание. Книжная компания Макгроу-Хилл.
4. Чжан, JXJ и Хосино, К. (2019). Основы нано / микротехнологии и масштабного эффекта. В молекулярных сенсорах и наноустройствах (второе издание). Восстановлено с sciencedirect.com.
5. Drouet, C. et al. (2017). Виды керамики. Нитрид кремния: введение. В достижениях керамических биоматериалов. Восстановлено с sciencedirect.com.
6. Kita, H. et al. (2013). Обзор и обзор нитрида кремния и SiAlON, включая их области применения. В Справочнике по передовой керамике (второе издание). Восстановлено с sciencedirect.com.
7. Хо, Х.Л. и Айер, СС (2001). DRAM. Проблемы емкости узла. В энциклопедии материалов: наука и техника. Восстановлено с sciencedirect.com.
8. Чжан, К. (2014). Понимание износостойкости и трибологических свойств композитов с керамической матрицей. В достижениях в керамических матричных композитах (второе издание). Восстановлено с sciencedirect.com.