Struktur, Eigenschaften, Herstellung, Verwendung von Siliziumnitrid (Si3N4)

Das Siliziumnitrid Es ist eine anorganische Verbindung, die aus Stickstoff (N) und Silizium (Si) gebildet wird. Seine chemische Formel lautet Si₃N.₄. Es ist ein hellgraues oder hellgraues Material von außergewöhnlicher Härte und Beständigkeit gegen hohe Temperaturen.

Aufgrund seiner Eigenschaften wird Siliziumnitrid in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe Verschleißfestigkeit und hohe Temperaturen erforderlich sind. Beispielsweise werden damit Schneidwerkzeuge und Kugellager hergestellt.

Es wird in Maschinen verwendet, die hohen mechanischen Kräften standhalten müssen, wie z. B. Turbinenschaufeln, die wie große Zylinder aussehen, in denen sich die Schaufeln mit hoher Geschwindigkeit drehen müssen, wenn Wasser oder Gase passieren und Energie erzeugen.

Mit Siliziumnitridkeramiken werden Teile hergestellt, die mit geschmolzenen Metallen in Kontakt kommen müssen. Sie dienen auch als Ersatz für menschliche oder tierische Knochen.

Er tut₃N.₄ Es hat elektrisch isolierende Eigenschaften, dh es überträgt keinen Strom. Daher kann es in Mikroelektronikanwendungen oder in sehr kleinen elektronischen Geräten verwendet werden.

Artikelverzeichnis

• 1 Struktur
• 2 Nomenklatur
• 3 Eigenschaften
  • 3.1 Physikalischer Zustand
  • 3.2 Molekulargewicht
  • 3.3 Schmelzpunkt
  • 3.4 Dichte
  • 3.5 Löslichkeit
  • 3.6 Chemische Eigenschaften
  • 3.7 Andere Eigenschaften
• 4 Erhalten
• 5 Verwendungen
  • 5.1 Im Bereich der Elektronik
  • 5.2 In keramischen Werkstoffen
  • 5.3 Als biomedizinisches Material
  • 5.4 Wie Siliziumnitrid für die Biomedizin hergestellt wird
  • 5.5 In verschiedenen Anwendungen
• 6 Referenzen

Struktur

In Siliziumnitrid ist jedes Siliziumatom (Si) kovalent an die 4 Stickstoffatome (N) gebunden. Umgekehrt ist jedes Stickstoffatom an die 3 Siliciumatome gebunden.

Daher sind die Bindungen sehr stark und verleihen der Verbindung eine hohe Stabilität..

Siliziumnitrid hat drei kristalline Strukturen: alpha (α-Si₃N.₄), beta (β-Si₃N.₄) und Gamma (γ-Si₃N.₄). Alpha und Beta sind am häufigsten. Gamma wird bei hohen Drücken und Temperaturen erhalten und ist am härtesten.

Nomenklatur

• Siliziumnitrid
• Trisiliciumtetranitrid

Eigenschaften

Körperlicher Status

Festes helles Grau.

Molekulargewicht

140,28 g / mol

Schmelzpunkt

1900 ºC

Dichte

3,44 g / cm³

Löslichkeit

Nicht in Wasser löslich. Löslich in Flusssäure HF.

Chemische Eigenschaften

Dies ist eine sehr stabile Verbindung, da die Silicium- und Stickstoffatome in Si gebunden sind₃N._4.

Siliziumnitrid weist eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Salzsäure (HCl) und Schwefelsäure (H) auf_zweiSW₄). Es ist auch sehr beständig gegen Oxidation. Es ist beständig gegen Aluminiumguss und seine Legierungen.

Andere Eigenschaften

Es hat eine gute Beständigkeit gegen Wärmeschock, eine hohe Härtebeständigkeit bei erhöhten Temperaturen, eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Erosion und Verschleiß und eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Korrosion.

Es hat eine außergewöhnliche Härte, die das Aufbringen dünner Materialdicken ermöglicht. Erhält seine Eigenschaften bei hohen Temperaturen.

Siliziumnitridfilme sind selbst bei hohen Temperaturen hervorragende Barrieren für die Diffusion von Wasser, Sauerstoff und Metallen. Sie sind sehr hart und haben eine hohe Dielektrizitätskonstante, was bedeutet, dass sie Elektrizität schlecht leiten und somit als elektrischer Isolator wirken..

Aus all diesen Gründen ist es ein geeignetes Material für Anwendungen bei hohen Temperaturen und hohen mechanischen Beanspruchungen..

Erhalten

Es kann ausgehend von der Reaktion zwischen Ammoniak (NH) erhalten werden₃) und Siliciumchlorid (SiCl₄), in dem Siliciumamid Si (NH_zwei)₄ dass beim Erhitzen ein Imid und dann Siliziumnitrid Si gebildet wird₃N.₄.

Die Reaktion kann wie folgt zusammengefasst werden:

Siliziumchlorid + Ammoniak → Siliziumnitrid + Salzsäure

3 SiCl₄ (Gas) + 4 NH₃ (Gas) → Ja₃N.₄ (fest) + 12 HCl (Gas)

Es wird auch hergestellt, indem kompaktes Pulversilicium (Si) mit Stickstoffgas (N) behandelt wird_zwei) bei Temperaturen von 1200-1400 ° C. Dieses Material hat jedoch eine Mikroporosität von 20 bis 30%, was seine mechanische Festigkeit begrenzt..

3 Si (fest) + 2 N._zwei (Gas) → Ja₃N.₄ (solide)

Daher wird das Si-Pulver gesintert.₃N.₄ Um dichtere Keramik zu bilden, bedeutet dies, dass das Pulver einem hohen Druck und einer hohen Temperatur ausgesetzt ist.

Anwendungen

Im Bereich der Elektronik

Siliziumnitrid wird häufig als Passivierungs- oder Schutzschicht in integrierten Schaltkreisen und mikromechanischen Strukturen verwendet..

Eine integrierte Schaltung ist eine Struktur, die die elektronischen Komponenten enthält, die zur Ausführung einer Funktion erforderlich sind. Es wird auch als Chip oder Mikrochip bezeichnet.

Er tut₃N.₄ Es hat eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen die Diffusion von Wasser, Sauerstoff und Metallen wie Natrium, weshalb es als Isolierschicht oder Barriere dient.

Es wird auch als dielektrisches Material verwendet, was bedeutet, dass es ein schlechter elektrischer Leiter ist und daher als Isolator dafür fungiert.

Dies dient für mikroelektronische und photonische Anwendungen (Erzeugung und Detektion von Lichtwellen). Wird als dünne Schicht in optischen Beschichtungen verwendet.

Es ist das am häufigsten verwendete dielektrische Material, das in DRAM-Kondensatoren (Dynamic Random Access Memory) verwendet wird. Dynamischer Direktzugriffsspeicher), die in Computern oder Computern verwendet werden.

In keramischen Materialien

Siliziumnitridkeramik hat Eigenschaften von hoher Härte und Verschleißfestigkeit, daher wird sie in tribologischen technischen Anwendungen verwendet, dh bei Anwendungen, bei denen viel Reibung und Verschleiß auftreten..

Er tut₃N.₄ Denso weist eine hohe flexible Festigkeit, eine hohe Bruchfestigkeit, eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Ziehen oder Gleiten, eine hohe Härte und eine ausgezeichnete Erosionsbeständigkeit auf.

Dies wird erhalten, wenn Siliziumnitrid durch Sintern in flüssiger Phase durch Zugabe von Aluminiumoxid und Yttriumoxid (Al) verarbeitet wird_zweiODER₃ + Y._zweiODER₃) bei Temperaturen von 1750-1900 ° C..

Das Sintern besteht darin, ein Verbundpulver hohen Drücken und Temperaturen auszusetzen, um ein dichteres und kompakteres Material zu erhalten.

Siliziumnitridkeramik kann zum Beispiel in Aluminiumschmelzgeräten verwendet werden, d. H. An sehr heißen Stellen, an denen geschmolzenes Aluminium vorhanden ist.

Die Struktur der Siliziumnitridkeramik bietet eine hervorragende Möglichkeit, die Eigenschaften für bestimmte Anwendungen entsprechend den Anforderungen der Ingenieure zu optimieren. Sogar viele seiner potenziellen Anwendungen müssen erst noch umgesetzt werden..

Als biomedizinisches Material

Seit 1989 wurde festgestellt, dass die Si₃N.₄ Es ist ein biokompatibles Material, was bedeutet, dass es einen Teil eines lebenden Organismus ersetzen kann, ohne Schaden zu verursachen und die Regeneration des Gewebes um ihn herum zu ermöglichen.

Es wird zur Herstellung von Bauteilen für den Austausch oder die Reparatur von tragenden Knochen sowie von Zwischenwirbelvorrichtungen verwendet, dh kleinen Gegenständen, mit denen die Wirbelsäule repariert werden kann.

Bei Tests an menschlichen oder tierischen Knochen wurde in kurzer Zeit die Verbindung zwischen dem Knochen und den Implantaten oder Keramikstücken aus Si hergestellt₃N.₄.

Siliziumnitrid ist nicht toxisch, es begünstigt die Zelladhäsion, die normale Proliferation oder Vermehrung von Zellen und deren Differenzierung oder Wachstum nach Zelltyp.

Wie Siliziumnitrid für die Biomedizin hergestellt wird

Für diese Anwendung ist das Si₃N.₄ wurde zuvor einem Sinterprozess mit Additiven aus Aluminiumoxid und Yttriumoxid (Al_zweiODER₃+Y._zweiODER₃). Dies besteht darin, Druck und hohe Temperatur auf das Si-Pulver auszuüben.₃N.₄ plus Zusatzstoffe.

Dieses Verfahren gibt dem resultierenden Material die Fähigkeit, das Bakterienwachstum zu verhindern, das Infektionsrisiko zu verringern und den Zellstoffwechsel des Körpers zu begünstigen..

Daher eröffnet es die Möglichkeit, eine schnellere Heilung in Knochenreparaturgeräten zu fördern..

In verschiedenen Anwendungen

Wird bei Hochtemperaturanwendungen verwendet, bei denen Verschleißfestigkeit erforderlich ist, z. B. bei Lagern (Teilen, die die Drehbewegung in Maschinen unterstützen) und Schneidwerkzeugen.

Es wird auch in Turbinenschaufeln (Maschinen, die aus einer Trommel mit Schaufeln bestehen, die sich beim Durchleiten von Wasser oder Gas drehen und somit Energie erzeugen) und Glühlampen (Verbindungen bei hohen Temperaturen) verwendet..

Wird in Thermoelementrohren (Temperatursensoren), geschmolzenen Metalltiegeln und Raketentreibstoffinjektoren verwendet.

Verweise

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