KISELNITRID (SI3N4): STRUKTUR, EGENSKAPER, PRODUKTION, ANVÄNDNING - KEMI - 2026

Den kiselnitrid är en oorganisk förening som består av kväve (N) och kisel (Si). Dess kemiska formel är Si ₃ N ₄ . Det är ett ljust grått eller ljusgrått material med exceptionell hårdhet och motståndskraft mot höga temperaturer.

På grund av dess egenskaper används kiselnitrid i applikationer där hög slitstyrka och höga temperaturer krävs. Till exempel används det för att tillverka skärverktyg och kullager.

Kiselnitrid sfär Si ₃ N ₄ . Lucasbosch. Källa: Wikimedia Commons.

Det används i maskiner som måste motstå höga mekaniska krafter, till exempel turbinblad, som är som stora cylindrar där bladen måste rotera i höga hastigheter med vatten eller gaser genom att producera energi.

Kiselnitridkeramik används för att göra delar som måste komma i kontakt med smälta metaller. De kan också användas som ersättning för människors eller djurben.

Si ₃ N ₄ har elektriska isoleringsegenskaper, det vill säga den överför inte elektricitet. Därför kan den användas i mikroelektronikapplikationer eller i mycket små elektroniska enheter.

Strukturera

I kiselnitrid är varje kiselatom (Si) kovalent bunden med de 4 kväveatomerna (N). Omvänt är varje kväveatom bunden till de 3 kiselatomerna.

Därför är bindningarna mycket starka och ger föreningen hög stabilitet.

Lewis struktur av kiselnitrid Si ₃ N ₄ . Grasso Luigi. Källa: Wikimedia Commons.

Tredimensionell struktur av kiselnitrid Si ₃ N ₄ . Grå = kisel; blå = kväve. Grasso Luigi. Källa: Wikimedia Commons.

Kiselnitrid har tre kristallina strukturer: alfa (α-Si ₃ N ₄ ), beta (β-Si ₃ N ₄ ) och gamma (γ-Si ₃ N ₄ ). Alfa och beta är de vanligaste. Gamma erhålls vid höga tryck och temperaturer och är det svåraste.

Nomenklatur

• Kiselnitrid
• Trisilikontetranitrid

Egenskaper

Fysiskt tillstånd

Massiv ljusgrå.

Molekylvikt

140,28 g / mol

Smältpunkt

1900 ºC

Densitet

3,44 g / cm ^{^}

löslighet

Olöslig i vatten. Löslig i fluorvätesyra HF.

Kemiska egenskaper

Detta är en mycket stabil förening, beroende på det sätt kisel- och kväveatomerna är bundna i Si ₃ N _4.

Kiselnitrid har utmärkt beständighet mot klorväte (HCl) och svavelsyra (H ₂ SO ₄ ) syror . Det är också mycket motståndskraftigt mot oxidation. Den är resistent mot gjuten aluminium och dess legeringar.

Andra egenskaper

Den har god motståndskraft mot värmechock, hög hårdhetsbibehållning vid förhöjda temperaturer, utmärkt motståndskraft mot erosion och slitage och utmärkt motståndskraft mot korrosion.

Den har exceptionell hårdhet som tillåter applicering av tunna materialtjocklekar. Det bibehåller sina egenskaper vid höga temperaturer.

Kiselnitridfilmer är utmärkta hinder för diffusion av vatten, syre och metaller, även vid höga temperaturer. De är mycket hårda och har en hög dielektrisk konstant, vilket innebär att de leder el dåligt och fungerar som en elektrisk isolator.

Det är av alla dessa skäl att det är ett lämpligt material för höga temperaturer och höga mekaniska spänningsapplikationer.

Erhållande

Det kan erhållas utgående från reaktionen mellan ammoniak (NH ₃ ) och kiselklorid (SiCl ₄ ), i vilken den kisel amiden Si (NH ₂ ) _{4 framställs,} som när den upphettas bildar en imid och sedan kiselnitriden Si ₃ N ₄ .

Reaktionen kan sammanfattas enligt följande:

Kiselklorid + ammoniak → kiselnitrid + saltsyra

3 SiCl ₄ (gas) + 4 NH ₃ (gas) → Si ₃ N ₄ (fast) + 12 HCl (gas)

Det tillverkas också genom behandling av kompakt pulvriserad kisel (Si) med kvävgas (N ₂ ) vid temperaturer av 1200-1400 ° C. Emellertid har detta material 20-30% mikroporositet som begränsar dess mekaniska styrka.

3 Si (fast) + 2 N ₂ (gas) → Si ₃ N ₄ (fast)

Av denna anledning, Si ₃ N ₄ är pulvret sintras för att bilda tätare keramiskt, detta innebär att pulvret utsätts för högt tryck och temperatur.

tillämpningar

Inom elektronikområdet

Kiselnitrid används ofta som ett passiverings- eller skyddslager i integrerade kretsar och mikromekaniska strukturer.

En integrerad krets är en struktur som innehåller de elektroniska komponenterna som krävs för att utföra någon funktion. Det kallas också ett chip eller mikrochip.

Kiselnitrid Si ₃ N ₄ används vid tillverkning av mikrochips. Den ursprungliga uppladdaren var Zephyris på engelska Wikipedia. . Källa: Wikimedia Commons.

Si ₃ N ₄ har utmärkt motståndskraft mot diffusion av vatten, syre och metaller såsom natrium, vilket är varför det tjänar som ett isolerande skikt eller barriär.

Det används också som ett dielektriskt material, det betyder att det är en dålig elektrisk ledare, så det fungerar som en isolator för det.

Detta tjänar till mikroelektroniska och fotoniska applikationer (generering och detektering av ljusvågor). Det används som ett tunt lager i optiska beläggningar.

Det är det vanligaste dielektriska materialet som används i kondensatorer för dynamiskt slumpmässigt åtkomstminne eller DRAM (Dynamic Random Access Memory), som är de som används i datorer.

DRAM-minne som används i datorer eller datorer. Kan innehålla kiselnitrid. Victorrocha. Källa: Wikimedia Commons.

I keramiska material

Kiselnitridkeramik har egenskaper med hög hårdhet och slitstyrka, därför används den i tribologiska tekniska tillämpningar, det vill säga användningar där mycket friktion och slitage uppstår.

Den täta Si ₃ N ₄ uppvisar hög flexibel hållfasthet, hög motstånds fraktur, god motståndskraft mot att dra eller glidande, hög hårdhet och utmärkt motståndskraft mot erosion.

Kulbärande sfärer i olika storlekar gjorda med kiselnitrid. De används för att användas i maskiner. Lucasbosch. Källa: Wikimedia Commons.

Detta erhålls när kiselnitrid bearbetas genom sintring i flytande fas tillsätta aluminiumoxid och yttriumoxid (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ) vid temperaturer av 1750-1900 ° C.

Sintring består av att utsätta ett sammansatt pulver för högt tryck och temperaturer för att erhålla ett tätare och mer kompakt material.

Kiselnitridkeramik kan användas till exempel i aluminiumsmältningsutrustning, dvs mycket heta ställen där smält aluminium finns.

Rör för tätning av Si ₃ N ₄ keramik och används i processer med gjuten aluminium. Hshkrc. Källa: Wikimedia Commons.

Strukturen av kiselnitridkeramik ger en stor möjlighet att optimera egenskaperna för specifika tillämpningar enligt krav från ingenjörer. Även många av dess potentiella applikationer har ännu inte realiserats.

Som ett biomedicinskt material

Sedan 1989 fastställdes det att Si ₃ N ₄ är ett biokompatibelt material, vilket innebär att den kan ersätta en del av en levande organism utan att orsaka skada och medger regenerering av vävnaden runt den.

Det används för att tillverka komponenter för utbyte eller reparation av bärande ben och även intervertebrala anordningar, det vill säga små föremål som gör det möjligt att reparera ryggraden.

I tester utförda på humana eller djurben, föreningen mellan benet och implantatet eller Si ₃ N ₄ keramdelarna inträffade på kort tid .

Benen i människokroppen kan repareras eller ersättas med delar av kiselnitrid. Författare: Com329329. Källa: Pixabay.

Kiselnitrid är icke-toxiskt, det gynnar cellhäftning, normal spridning eller multiplikation av celler och deras differentiering eller tillväxt efter celltyp.

Hur silikonnitrid för biomedicin tillverkas

För denna tillämpning, Si ₃ N ₄ är tidigare utsätts för en sintringsprocess med tillsatser av aluminiumoxid och yttriumoxid (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ). Detta består av att tillämpa tryck och hög temperatur till den Si ₃ N ₄ pulver plus tillsatserna.

Denna procedur ger det resulterande materialet förmågan att förhindra bakterietillväxt, minska risken för infektion och gynna kroppens cellmetabolism.

Således öppnar det möjligheten att främja snabbare läkning i benreparationsanordningar.

I olika applikationer

Det används i högtemperaturapplikationer där motstånd mot slitage krävs, såsom lager (delar som stöder rotationsrörelse i maskiner) och skärverktyg.

Det används också i turbinblad (maskiner bildade av en trumma med blad som roterar när man passerar vatten eller en gas och därmed genererar energi) och glödanslutningar (skarvar vid höga temperaturer).

Turbin- eller flygmotor, dess blad kan innehålla kiselnitrid. Författare: Lars_Nissen_Photoart. Källa: Pixabay.

Det används i termoelementslangar (temperatursensorer), smälta metalldeglar och raketbränsleinsprutare.

referenser

1. Cotton, F. Albert och Wilkinson, Geoffrey. (1980). Avancerad oorganisk kemi. Fjärde upplagan. John Wiley & Sons.
2. US National Library of Medicine. (2019). Kiselnitrid. Återställs från pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Dean, JA (redaktör). (1973). Langes handbok för kemi. Elfte upplagan. McGraw-Hill Book Company.
4. Zhang, JXJ och Hoshino, K. (2019). Grunder för nano / mikrofabrikation och skaleffekt. In Molecular Sensors and Nanodevices (Second Edition). Återställs från sciencedirect.com.
5. Drouet, C. et al. (2017). Typer av keramik. Kiselnitrid: en introduktion. I Advances in Ceramic Biomaterials. Återställs från sciencedirect.com.
6. Kita, H. et al. (2013). Granskning och översikt av Silicon Nitride och SiAlON, inklusive deras applikationer. I Handbook of Advanced Ceramics (andra upplagan). Återställs från sciencedirect.com.
7. Ho, HL och Iyer, SS (2001). DRAM. Nodkapacitansproblem. In Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Återställs från sciencedirect.com.
8. Zhang, C. (2014). Förstå slitage och tribologiska egenskaper hos keramiska matriskompositer. I Advances in Ceramic Matrix Composites (andra upplagan). Återställs från sciencedirect.com.