NITRURĂ DE SILICIU (SI3N4): STRUCTURĂ, PROPRIETĂȚI, PRODUCȚIE, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Nitrura de siliciu este un compus anorganic constând din azot (N) și siliciu (Si). Formula sa chimică este Si ₃ N ₄ . Este un material gri strălucitor sau gri deschis, cu o duritate excepțională și rezistență la temperaturi ridicate.

Datorită proprietăților sale, nitrura de siliciu este utilizată în aplicații unde este necesară o rezistență ridicată la uzură și temperaturi ridicate. De exemplu, este utilizat pentru confecționarea uneltelor de tăiere și a rulmenților.

Sfera de nitru de siliciu Si ₃ N ₄ . Lucasbosch. Sursa: Wikimedia Commons.

Se folosește în piese de mașini care trebuie să reziste la forțe mecanice mari, cum ar fi palele de turbină, care sunt ca niște cilindri mari, unde palele trebuie să se rotească cu viteze mari cu trecerea apei sau a gazelor, producând energie.

Ceramica cu azot de siliciu este utilizată pentru fabricarea pieselor care trebuie să intre în contact cu metalele topite. De asemenea, pot fi utilizate ca înlocuitor pentru oasele umane sau animale.

Si ₃ N ₄ are proprietăți izolatoare electrice, adică nu transmite electricitate. Prin urmare, poate fi utilizat în aplicații de microelectronică sau în dispozitive electronice foarte mici.

Structura

În nitrură de siliciu, fiecare atom de siliciu (Si) este legat covalent cu cei 4 atomi de azot (N). Invers, fiecare atom de azot este atașat la cei 3 atomi de siliciu.

Prin urmare, legăturile sunt foarte puternice și conferă compusului o stabilitate ridicată.

Structura Lewis a nitrurii de siliciu Si ₃ N ₄ . Grasso Luigi. Sursa: Wikimedia Commons.

Structura tridimensională a nitrurii de siliciu Si ₃ N ₄ . Gri = siliciu; albastru = azot. Grasso Luigi. Sursa: Wikimedia Commons.

Nitrură de siliciu are trei structuri cristaline: alfa (α-Si ₃ N ₄ ), beta (β-Si ₃ N ₄ ) și gamma (γ-Si ₃ N ₄ ). Alfa și beta sunt cele mai frecvente. Gamma este obținută la presiuni și temperaturi ridicate și este cea mai grea.

Nomenclatură

• Nitrură de siliciu
• Trisranicon tetranitrida

Proprietăți

Stare fizică

Gri solid strălucitor.

Greutate moleculară

140,28 g / mol

Punct de topire

1900 ºC

Densitate

3,44 g / cm ³

Solubilitate

Insolubil în apă. Solubil în acidul fluorhidric HF.

Proprietăți chimice

Acesta este un compus foarte stabil, datorită modului în care atomii de siliciu și azot sunt legați în Si ₃ N _4.

Nitrura de siliciu are o rezistență excelentă la acizii clorhidric (HCl) și sulfuros (H ₂ SO ₄ ). De asemenea, este foarte rezistent la oxidare. Este rezistent la aluminiu turnat și la aliajele sale.

Alte proprietăți

Are o rezistență bună la șoc termic, retenție ridicată a durității la temperaturi ridicate, rezistență excelentă la eroziune și uzură și rezistență excelentă la coroziune.

Are o duritate excepțională care permite aplicarea grosimilor subțiri ale materialului. Își menține proprietățile la temperaturi ridicate.

Filmele cu nitru de siliciu reprezintă bariere excelente pentru difuzarea apei, oxigenului și metalelor, chiar și la temperaturi ridicate. Sunt foarte dure și au o constantă dielectrică ridicată, ceea ce înseamnă că ele conduc electricitatea slab, acționând astfel ca un izolator electric.

Din toate aceste motive, este un material adecvat pentru aplicații la temperaturi ridicate și la solicitări mecanice mari.

Obținerea

Acesta poate fi obținut pornind de la reacția dintre amoniac (NH ₃ ) și clorură de siliciu (MesSiCI ₄ ), în care siliciul amidic Si (NH ₂ ) _{este produs 4,} care atunci când este încălzit formează o imidă și apoi nitrura de siliciu Si ₃ N ₄ .

Reacția poate fi rezumată după cum urmează:

Clorură de siliciu + Amoniac → Nitrură de siliciu + Acid clorhidric

3 SiCl ₄ (gaz) + 4 NH ₃ (gaz) → Si ₃ N ₄ (solid) + 12 HCl (gaz)

De asemenea, este fabricat prin tratarea silicului compact (Si) sub formă de pudră cu gaz azotat (N ₂ ) la temperaturi de 1200-1400 ° C. Cu toate acestea, acest material are 20-30% microporozitate care îi limitează rezistența mecanică.

3 Si (solid) + 2 N ₂ (gaz) → Si ₃ N ₄ (solid)

Din acest motiv, pulberea de Si ₃ N ₄ este sinterizată pentru a forma ceramică mai densă, ceea ce înseamnă că pulberea este supusă presiunii și temperaturii ridicate.

Aplicații

În domeniul electronicii

Nitrita de siliciu este adesea folosită ca strat de pasivare sau de protecție în circuitele integrate și structurile micromecanice.

Un circuit integrat este o structură care conține componentele electronice necesare îndeplinirii unei anumite funcții. Se mai numește cip sau microcip.

Nitrură de siliciu Si ₃ N ₄ este utilizată la fabricarea microcipurilor. Încărcătorul original a fost Zephyris la Wikipedia engleză. . Sursa: Wikimedia Commons.

Si ₃ N ₄ are o rezistență excelentă la difuzarea apei, a oxigenului și a metalelor precum sodiul, motiv pentru care servește ca strat izolant sau barieră.

De asemenea, este folosit ca material dielectric, asta înseamnă că este un conductor slab al energiei electrice, astfel că acționează ca un izolator pentru aceasta.

Aceasta servește pentru aplicații microelectronice și fotonice (generarea și detectarea undelor de lumină). Este utilizat ca strat subțire în acoperiri optice.

Este cel mai frecvent material dielectric utilizat în condensatoare pentru memoria dinamică de acces aleatoriu sau DRAM (Dynamic Random Access Memory), care sunt cele utilizate în calculatoare.

Memorie DRAM folosită în calculatoare sau computere. Poate conține nitrură de siliciu. Victorrocha. Sursa: Wikimedia Commons.

În materiale ceramice

Ceramica cu nitru de siliciu are proprietăți de duritate ridicată și rezistență la uzură, de aceea este folosită în aplicații de inginerie tribologică, adică se folosește acolo unde se produce multă frecare și uzură.

Si ₃ N ₄ dens prezintă o rezistență flexibilă ridicată, o rezistență mare la fracturi, o rezistență bună la târâre sau alunecare, duritate ridicată și rezistență excelentă la eroziune.

Sferi rulment cu bile de diferite dimensiuni realizate cu nitru de siliciu. Sunt folosite pentru a fi utilizate în utilaje. Lucasbosch. Sursa: Wikimedia Commons.

Acest lucru este obținut atunci când nitrura de siliciu este prelucrat prin sinterizare în fază lichidă adăugarea de oxid de aluminiu și oxid de ytriu (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ) la temperaturi de 1750-1900 ° C.

Sinterizarea constă în supunerea unei pulberi compuse la presiuni și temperaturi ridicate pentru a obține un material mai dens și mai compact.

Ceramica cu nitru de siliciu poate fi folosită, de exemplu, în echipamente de topire cu aluminiu, adică locuri foarte fierbinți în care este prezent aluminiu topit.

Tub pentru etanșare din ceramică Si ₃ N ₄ și utilizat în procese cu aluminiu turnat. Hshkrc. Sursa: Wikimedia Commons.

Structura ceramicii cu nitru de siliciu oferă o oportunitate excelentă de a optimiza proprietățile pentru aplicații specifice în funcție de cerințele inginerilor. Chiar și multe dintre potențialele sale aplicații nu s-au materializat încă.

Ca material biomedical

Din 1989 s-a stabilit că Si ₃ N ₄ este un material biocompatibil, ceea ce înseamnă că poate înlocui o parte dintr-un organism viu, fără a provoca pagube și permițând regenerarea țesutului din jurul său.

Este utilizat pentru fabricarea de componente pentru înlocuirea sau repararea oaselor purtătoare de sarcină și, de asemenea, dispozitive intervertebrale, adică obiecte mici care permit repararea coloanei vertebrale.

În testele efectuate pe oase umane sau animale, unirea dintre os și implanturi sau piese ceramice de Si ₃ N ₄ s-a produs într-un timp scurt .

Oasele corpului uman pot fi reparate sau înlocuite cu părți de nitrură de siliciu. Autor: Com329329. Sursa: Pixabay.

Nitrita de siliciu este non-toxică, promovează aderența celulară, proliferarea normală sau înmulțirea celulelor și diferențierea sau creșterea acestora după tipul de celule.

Cum este fabricat nitru de siliciu pentru biomedicină

Pentru această aplicație, Si ₃ N ₄ este supus în prealabil la un procedeu de sinterizare cu aditivi de alumină și oxid de ytriu (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ). Aceasta constă în aplicarea presiunii și temperaturii ridicate pe pulberea Si ₃ N ₄ plus aditivii.

Această procedură oferă materialului rezultat capacitatea de a preveni creșterea bacteriană, reducând riscul de infecție și favorizând metabolismul celular al organismului.

Astfel, se deschide posibilitatea de a promova vindecarea mai rapidă în dispozitivele de reparație osoasă.

În diferite aplicații

Este utilizat în aplicații la temperaturi ridicate, unde este necesară rezistența la uzură, cum ar fi rulmenții (piese care suportă mișcarea de rotație la mașini) și instrumentele de tăiere.

Este de asemenea utilizat în paletele turbinei (mașini formate de un tambur cu lame care se rotesc la trecerea apei sau a unui gaz și astfel generează energie) și conexiuni incandescente (îmbinări la temperaturi ridicate).

Motorul cu turbină sau aeronavă, lamele sale pot conține nitrură de siliciu. Autor: Lars_Nissen_Photoart. Sursa: Pixabay.

Se folosește în tuburi termocuple (senzori de temperatură), creuzete din metal topit și injecții cu rachetă.

Referințe

1. Cotton, F. Albert și Wilkinson, Geoffrey. (1980). Chimie anorganică avansată. A patra editie. John Wiley & Sons.
2. Biblioteca Națională de Medicină din SUA. (2019). Nitrură de siliciu. Recuperat din pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Decan, JA (editor). (1973). Manualul de chimie al lui Lange. Ediția a unsprezecea. Compania de carte McGraw-Hill.
4. Zhang, JXJ și Hoshino, K. (2019). Fundamentele nano / microfabricării și efectului la scară. În senzori moleculari și nanodevice (ediția a doua). Recuperat de la sciencedirect.com.
5. Drouet, C. și colab. (2017). Tipuri de ceramică. Nitrură de siliciu: o introducere. În avansuri în biomateriale ceramice. Recuperat de la sciencedirect.com.
6. Kita, H. și colab. (2013). Revizuirea și prezentarea generală a nitrurii de siliciu și a SiAlON, inclusiv aplicațiile lor. În Handbook of Advanced Ceramics (Ediția a doua). Recuperat de la sciencedirect.com.
7. Ho, HL și Iyer, SS (2001). DRAMs. Probleme privind capacitatea nodurilor. În Enciclopedia materialelor: știință și tehnologie. Recuperat de la sciencedirect.com.
8. Zhang, C. (2014). Înțelegerea uzurii și a proprietăților tribologice ale compozitelor matrice ceramice. În avansuri în compozite cu matrice ceramică (ediția a doua). Recuperat de la sciencedirect.com.