- Uzbūve
- Nomenklatūra
- Īpašības
- Fiziskais stāvoklis
- Molekulārais svars
- Kušanas punkts
- Blīvums
- Šķīdība
- Ķīmiskās īpašības
- Citas īpašības
- Iegūšana
- Lietojumprogrammas
- Elektronikas jomā
- Keramikas materiālos
- Kā biomedicīnas materiāls
- Kā tiek izgatavots silikona nitrīds biomedicīnai
- Dažādās lietojumprogrammās
- Atsauces
Silicija nitrīda slānis ir neorganisks savienojums, kas sastāv no slāpekļa (N) un silīcija (Si). Tās ķīmiskā formula ir Si 3 N 4 . Tas ir gaiši pelēks vai gaiši pelēks materiāls ar izcilu cietību un izturību pret augstām temperatūrām.
Pateicoties savām īpašībām, silīcija nitrīds tiek izmantots gadījumos, kad nepieciešama augsta nodilumizturība un augsta temperatūra. Piemēram, to izmanto griezējinstrumentu un lodīšu gultņu izgatavošanai.
Silīcija nitrīda lode Si 3 N 4 . Lucasbosch. Avots: Wikimedia Commons.
To izmanto mašīnu gabalos, kam jāiztur liels mehāniskais spēks, piemēram, turbīnu lāpstiņas, kas ir kā lieli cilindri, kur asmeņiem jāgriežas lielā ātrumā, izlaižot ūdeni vai gāzes, ražojot enerģiju.
Silīcija nitrīda keramiku izmanto detaļu izgatavošanai, kurām jāsaskaras ar izkausētiem metāliem. Tos var izmantot arī kā cilvēku vai dzīvnieku kaulu aizstājēju.
Si 3 N 4 ir elektriski izolējošas īpašības, tas ir, tas nepārraida elektrību. Tāpēc to var izmantot mikroelektronikā vai ļoti mazās elektroniskās ierīcēs.
Uzbūve
Silīcija nitīdā katrs silīcija atoms (Si) ir kovalenti saistīts ar 4 slāpekļa atomiem (N). Un otrādi, katrs slāpekļa atoms ir pievienots 3 silīcija atomiem.
Tāpēc saites ir ļoti spēcīgas un piešķir savienojumam augstu stabilitāti.
Silīcija nitrīda Si 3 N 4 struktūra . Grasso Luigi. Avots: Wikimedia Commons.
Silīcija nitrīda Si 3 N 4 trīsdimensiju struktūra . Pelēks = silīcijs; zils = slāpeklis. Grasso Luigi. Avots: Wikimedia Commons.
Silīcija nitrīdam ir trīs kristāliskas struktūras: alfa (α-Si 3 N 4 ), beta (β-Si 3 N 4 ) un gamma (γ-Si 3 N 4 ). Alfa un beta ir visizplatītākās. Gamma tiek iegūta augstā spiedienā un temperatūrā, un tā ir vissmagākā.
Nomenklatūra
- Silīcija nitrīds
- Trisilīcija tetranitrīds
Īpašības
Fiziskais stāvoklis
Vienkrāsaini pelēks.
Molekulārais svars
140,28 g / mol
Kušanas punkts
1900 ºC
Blīvums
3,44 g / cm 3
Šķīdība
Nešķīst ūdenī. Šķīst fluorūdeņražskābē HF.
Ķīmiskās īpašības
Tas ir ļoti stabils savienojums, pateicoties tam, kā silīcija un slāpekļa atomi ir saistīti Si 3 N 4.
Silīcija nitrīdam ir lieliska izturība pret sālsskābi (HCl) un sērskābi (H 2 SO 4 ). Tas ir arī ļoti izturīgs pret oksidēšanu. Tas ir izturīgs pret liejamo alumīniju un tā sakausējumiem.
Citas īpašības
Tam ir laba izturība pret termisko triecienu, augsta cietības saglabāšana paaugstinātā temperatūrā, lieliska izturība pret eroziju un nodilumu, kā arī lieliska izturība pret koroziju.
Tam ir īpaša cietība, kas ļauj uzklāt plānus materiāla biezumus. Tas saglabā savas īpašības augstā temperatūrā.
Silīcija nitrīda plēves ir lieliski šķēršļi ūdens, skābekļa un metālu difūzijai pat augstā temperatūrā. Tie ir ļoti cieti un ar augstu dielektrisko konstanti, kas nozīmē, ka tie slikti vada elektrību, tādējādi darbojoties kā elektriskais izolators.
Visu šo iemeslu dēļ tas ir piemērots materiāls augstas temperatūras un augsta mehāniskā sprieguma gadījumos.
Iegūšana
To var iegūt, sākot no amonjaka (NH 3 ) un silīcija hlorīda (SiCl 4 ) reakcijas, kurā veidojas silīcija amīds Si (NH 2 ) 4, kas karsējot veido imīdu un pēc tam silīcija nitrīdu Si 3 N 4 .
Reakciju var rezumēt šādi:
Silīcija hlorīds + amonjaks → silīcija nitrīds + sālsskābe
3 SICL 4 (gāze) + 4 NH 3 (gāze) → Si 3 N 4 (solid) + 12 HCl (gāze)
To ražo arī, apstrādājot kompakto pulverveida silīciju (Si) ar slāpekļa gāzi (N 2 ) 1200–1400 ° C temperatūrā. Tomēr šim materiālam ir 20-30% mikroporainības, kas ierobežo tā mehānisko izturību.
3 Si (ciets) + 2 N 2 (gāze) → Si 3 N 4 (ciets)
Šī iemesla dēļ Si 3 N 4 pulveris tiek saķepināts , veidojot blīvāku keramiku, tas nozīmē, ka pulveris tiek pakļauts augstam spiedienam un temperatūrai.
Lietojumprogrammas
Elektronikas jomā
Silīcija nitrīdu bieži izmanto kā pasivācijas vai aizsardzības slāni integrētās shēmās un mikromehāniskajās struktūrās.
Integrētā shēma ir struktūra, kurā ir elektroniski komponenti, kas nepieciešami kādas funkcijas veikšanai. To sauc arī par mikroshēmu vai mikroshēmu.
Silīcija nitrīdu Si 3 N 4 izmanto mikroshēmu ražošanā. Sākotnējais augšupielādētājs bija Zephyris angļu Vikipēdijā. . Avots: Wikimedia Commons.
Si 3 N 4 ir lieliska izturība pret ūdens, skābekļa un metālu, piemēram, nātrija, difūziju, tāpēc tas kalpo kā izolācijas slānis vai barjera.
To izmanto arī kā dielektrisku materiālu, tas nozīmē, ka tas ir slikts elektroenerģijas vadītājs, tāpēc tas darbojas kā tā izolators.
Tas kalpo mikroelektroniskiem un fotoniskiem lietojumiem (gaismas viļņu ģenerēšanai un noteikšanai). To izmanto kā plānu kārtu optiskajos pārklājumos.
Tas ir visizplatītākais dielektriskais materiāls, ko izmanto kondensatoros dinamiskās brīvpiekļuves atmiņai vai DRAM (Dynamic Random Access Memory), ko izmanto datoros.
Datoros vai datoros izmantota DRAM atmiņa. Var saturēt silīcija nitrīdu. Victorrocha. Avots: Wikimedia Commons.
Keramikas materiālos
Silīcija nitrīda keramikai ir augstas cietības un nodilumizturības īpašības, tāpēc to izmanto triboloģiskajā inženierijā, tas ir, daudzās berzes un nodiluma gadījumos.
Blīvajam Si 3 N 4 ir augsta elastīgā izturība, augsta izturība pret lūzumiem, laba izturība pret vilkšanu vai slīdēšanu, augsta cietība un lieliska izturība pret eroziju.
Ar silīcija nitrīdu izgatavotas dažāda lieluma lodīšu lodīšu lodes. Tos mēdz izmantot mašīnās. Lucasbosch. Avots: Wikimedia Commons.
To iegūst, silīcija nitrīdu apstrādājot, saķepinot šķidrā fāzē, pievienojot alumīnija oksīdu un itrija oksīdu (Al 2 O 3 + Y 2 O 3 ) 1750–1900 ° C temperatūrā.
Kausēšana sastāv no salikta pulvera pakļaušanas augstam spiedienam un temperatūrai, lai iegūtu blīvāku un kompaktāku materiālu.
Silīcija nitrīda keramiku var izmantot, piemēram, alumīnija kausēšanas iekārtās, t.i., ļoti karstās vietās, kur atrodas izkausēts alumīnijs.
Blīvēšanas caurule, kas izgatavota no Si 3 N 4 keramikas un izmantota procesos ar alumīnija lietu. Hshkrc. Avots: Wikimedia Commons.
Silīcija nitrīda keramikas struktūra sniedz lielisku iespēju optimizēt īpašības īpašiem lietojumiem atbilstoši inženieru prasībām. Pat daudziem tās potenciālajiem lietojumiem vēl nav jārealizējas.
Kā biomedicīnas materiāls
Kopš 1989. gada tika noteikts, ka Si 3 N 4 ir bioloģiski saderīgs materiāls, kas nozīmē, ka tas var aizstāt dzīvo organismu daļu, neradot kaitējumu un ļaujot reģenerēt audus ap to.
To izmanto detaļu ražošanai nesošo kaulu nomaiņai vai labošanai, kā arī starpskriemeļu ierīcēm, tas ir, maziem priekšmetiem, kas ļauj labot mugurkaulu.
Pārbaudēs, kas veiktas ar cilvēku vai dzīvnieku kauliem, īsā laikā radās savienojums starp kaulu un implantiem vai Si 3 N 4 keramikas gabaliem .
Cilvēka ķermeņa kaulus var salabot vai aizstāt ar silīcija nitrīda daļām. Autors: Com329329. Avots: Pixabay.
Silīcija nitrīds nav toksisks, tas veicina šūnu adhēziju, normālu šūnu proliferāciju vai pavairošanu un to diferenciāciju vai augšanu pēc šūnu veida.
Kā tiek izgatavots silikona nitrīds biomedicīnai
Šim lietojumam Si 3 N 4 iepriekš tiek veikts aglomerācijas process ar alumīnija oksīda un itrija oksīda (Al 2 O 3 + Y 2 O 3 ) piedevām . Tas sastāv no spiediena un augstas temperatūras piemērošanas Si 3 N 4 pulverim un piedevām.
Šī procedūra dod iegūtajam materiālam iespēju novērst baktēriju augšanu, samazinot infekcijas risku un dodot priekšroku organisma šūnu metabolismam.
Tādējādi tas paver iespēju veicināt ātrāku dziedināšanu kaulu atjaunošanas ierīcēs.
Dažādās lietojumprogrammās
To izmanto augstas temperatūras apstākļos, kur nepieciešama nodilumizturība, piemēram, gultņi (detaļas, kas atbalsta rotācijas kustību mašīnās) un griezējinstrumenti.
To izmanto arī turbīnu lāpstiņās (mašīnās, kuras veido cilindrs ar asmeņiem, kas griežas, dodoties ūdenim vai gāzei, un tādējādi rada enerģiju) un kvēlspuldžu savienojumos (savienojumi augstā temperatūrā).
Turbīnas vai lidmašīnas dzinējs, tā asmeņi var saturēt silīcija nitrīdu. Autors: Lars_Nissen_Photoart. Avots: Pixabay.
To izmanto termopāra caurulēs (temperatūras sensoros), izkausēta metāla tīģelīšos un raķešu degvielas inžektoros.
Atsauces
- Kokvilna, F. Alberts un Vilkinsons, Džefrijs. (1980). Uzlabotā neorganiskā ķīmija. Ceturtais izdevums. Džons Vilijs un dēli.
- ASV Nacionālā medicīnas bibliotēka. (2019. gads). Silīcija nitrīds. Atgūts no pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
- Dekāns, JA (redaktors). (1973). Langes ķīmijas rokasgrāmata. Vienpadsmitais izdevums. McGraw-Hill grāmatu uzņēmums.
- Džans, JXJ un Hoshino, K. (2019). Nano / mikrofabricēšanas pamati un mēroga efekts. Molekulārajos sensoros un nanoierīcēs (otrais izdevums). Atgūts no vietnes sciencedirect.com.
- Drouet, C. et al. (2017). Keramikas veidi. Silīcija nitrīds: ievads. Ar progresu keramikas biomateriālos. Atgūts no vietnes sciencedirect.com.
- Kita, H. et al. (2013). Pārskats un pārskats par silīcija nitrīdu un SiAlON, ieskaitot to lietojumus. Uzlabotās keramikas rokasgrāmatā (otrais izdevums). Atgūts no vietnes sciencedirect.com.
- Ho, HL un Iyer, SS (2001). DRAM. Mezgla kapacitātes problēmas. Materiālu enciklopēdijā: Zinātne un tehnoloģija. Atgūts no vietnes sciencedirect.com.
- Džans, C. (2014). Izpratne par keramikas matricas kompozītu nodilumu un triboloģiskajām īpašībām. In Advances keramikas matricu kompozītos (otrais izdevums). Atgūts no vietnes sciencedirect.com.