- Structuur
- Nomenclatuur
- Eigendommen
- Fysieke toestand
- Molecuulgewicht
- Smeltpunt
- Dichtheid
- Oplosbaarheid
- Chemische eigenschappen
- Andere eigenschappen
- Het verkrijgen van
- Toepassingen
- Op het gebied van elektronica
- In keramische materialen
- Als biomedisch materiaal
- Hoe siliciumnitride voor biogeneeskunde wordt gemaakt
- In verschillende toepassingen
- Referenties
Het siliciumnitride is een anorganische verbinding die bestaat uit stikstof (N) en silicium (Si). De chemische formule is Si 3 N 4 . Het is een heldergrijs of lichtgrijs materiaal met een uitzonderlijke hardheid en bestand tegen hoge temperaturen.
Vanwege zijn eigenschappen wordt siliciumnitride gebruikt in toepassingen waar een hoge weerstand tegen slijtage en hoge temperaturen vereist is. Er worden bijvoorbeeld snijgereedschappen en kogellagers van gemaakt.
Siliciumnitride bol Si 3 N 4 . Lucasbosch. Bron: Wikimedia Commons.
Het wordt gebruikt in machinedelen die hoge mechanische krachten moeten weerstaan, zoals turbinebladen, die als grote cilinders zijn waarbij de bladen met hoge snelheden moeten draaien met de passage van water of gassen, waardoor energie wordt geproduceerd.
Siliciumnitride keramiek wordt gebruikt om onderdelen te maken die in contact moeten komen met gesmolten metalen. Ze kunnen ook worden gebruikt als vervanging voor botten van mensen of dieren.
Si 3 N 4 heeft elektrisch isolerende eigenschappen, dat wil zeggen dat het geen elektriciteit doorlaat. Daarom kan het worden gebruikt in micro-elektronische toepassingen of in zeer kleine elektronische apparaten.
Structuur
In siliciumnitride is elk siliciumatoom (Si) covalent gebonden met de 4 stikstofatomen (N). Omgekeerd zit elk stikstofatoom vast aan de 3 siliciumatomen.
Daarom zijn de bindingen erg sterk en geven ze de verbinding een hoge stabiliteit.
Lewis-structuur van siliciumnitride Si 3 N 4 . Grasso Luigi. Bron: Wikimedia Commons.
Driedimensionale structuur van siliciumnitride Si 3 N 4 . Grijs = silicium; blauw = stikstof. Grasso Luigi. Bron: Wikimedia Commons.
Siliciumnitride heeft drie kristallijne structuren: alfa (α-Si 3 N 4 ), bèta (β-Si 3 N 4 ) en gamma (γ-Si 3 N 4 ). Alfa en bèta zijn de meest voorkomende. Gamma wordt verkregen bij hoge drukken en temperaturen en is het moeilijkst.
Nomenclatuur
- Siliciumnitride
- Trisiliciumtetranitride
Eigendommen
Fysieke toestand
Effen helder grijs.
Molecuulgewicht
140,28 g / mol
Smeltpunt
1900 ºC
Dichtheid
3,44 g / cm 3
Oplosbaarheid
Onoplosbaar in water. Oplosbaar in fluorwaterstofzuur HF.
Chemische eigenschappen
Dit is een zeer stabiele verbinding, vanwege de manier waarop de silicium- en stikstofatomen zijn gebonden in Si 3 N 4.
Siliciumnitride is uitstekend bestand tegen zoutzuur (HCl) en zwavelzuur (H 2 SO 4 ). Het is ook zeer goed bestand tegen oxidatie. Het is bestand tegen gegoten aluminium en zijn legeringen.
Andere eigenschappen
Het heeft een goede weerstand tegen thermische schokken, een hoog behoud van hardheid bij verhoogde temperaturen, uitstekende weerstand tegen erosie en slijtage, en uitstekende weerstand tegen corrosie.
Het heeft een uitzonderlijke hardheid die het mogelijk maakt om dunne materiaaldiktes aan te brengen. Het behoudt zijn eigenschappen bij hoge temperaturen.
Siliciumnitridefilms zijn uitstekende barrières voor de diffusie van water, zuurstof en metalen, zelfs bij hoge temperaturen. Ze zijn erg hard en hebben een hoge diëlektrische constante, wat betekent dat ze elektriciteit slecht geleiden en dus als elektrische isolator werken.
Om al deze redenen is het een geschikt materiaal voor toepassingen bij hoge temperaturen en hoge mechanische belasting.
Het verkrijgen van
Het kan worden verkregen uitgaande van de reactie tussen ammoniak (NH 3 ) en siliciumchloride (SiCl 4 ), waarbij het siliciumamide Si (NH 2 ) 4 wordt geproduceerd, dat bij verhitting een imide vormt en vervolgens het siliciumnitride Si 3 N 4 .
De reactie kan als volgt worden samengevat:
Siliciumchloride + ammoniak → Siliciumnitride + zoutzuur
3 SiCl 4 (gas) + 4 NH 3 (gas) → Si 3 N 4 (vast) + 12 HCl (gas)
Het wordt ook vervaardigd door compact poedervormig silicium (Si) te behandelen met stikstofgas (N 2 ) bij temperaturen van 1200-1400 ° C. Dit materiaal heeft echter een microporositeit van 20-30%, wat de mechanische sterkte beperkt.
3 Si (vast) + 2 N 2 (gas) → Si 3 N 4 (vast)
Om deze reden wordt het Si 3 N 4- poeder gesinterd om een dichter keramiek te vormen, dit betekent dat het poeder wordt blootgesteld aan hoge druk en temperatuur.
Toepassingen
Op het gebied van elektronica
Siliciumnitride wordt vaak gebruikt als passiverings- of beschermingslaag in geïntegreerde schakelingen en micromechanische structuren.
Een geïntegreerd circuit is een structuur die de elektronische componenten bevat die nodig zijn om een bepaalde functie uit te voeren. Het wordt ook wel een chip of microchip genoemd.
Siliciumnitride Si 3 N 4 wordt gebruikt bij de vervaardiging van microchips. De oorspronkelijke uploader was Zephyris op Engelse Wikipedia. . Bron: Wikimedia Commons.
Si 3 N 4 heeft een uitstekende weerstand tegen diffusie van water, zuurstof en metalen zoals natrium, daarom dient het als isolatielaag of barrière.
Het wordt ook gebruikt als een diëlektrisch materiaal, dit betekent dat het een slechte geleider van elektriciteit is, dus het werkt als een isolator ervoor.
Dit dient voor micro-elektronische en fotonische toepassingen (opwekking en detectie van lichtgolven). Het wordt gebruikt als een dunne laag in optische coatings.
Het is het meest voorkomende diëlektrische materiaal dat wordt gebruikt in condensatoren voor dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen of DRAM (Dynamic Random Access Memory), die in computers worden gebruikt.
DRAM-geheugen dat wordt gebruikt in computers of computers. Kan siliciumnitride bevatten. Victorrocha. Bron: Wikimedia Commons.
In keramische materialen
Siliciumnitride-keramiek heeft eigenschappen van hoge hardheid en slijtvastheid, daarom wordt het gebruikt in tribologische engineeringtoepassingen, dat wil zeggen toepassingen waarbij veel wrijving en slijtage optreedt.
Dense Si 3 N 4 vertoont een hoge flexibele sterkte, hoge breukweerstand, goede kruip- of slipweerstand, hoge hardheid en uitstekende erosieweerstand.
Kogellagers in verschillende afmetingen gemaakt van siliciumnitride. Ze worden vroeger in machines gebruikt. Lucasbosch. Bron: Wikimedia Commons.
Dit wordt verkregen wanneer siliciumnitride wordt verwerkt door sinteren in vloeibare fase door toevoeging van aluminiumoxide en yttriumoxide (Al 2 O 3 + Y 2 O 3 ) bij temperaturen van 1750-1900 ° C.
Sinteren bestaat uit het onderwerpen van een samengesteld poeder aan hoge drukken en temperaturen om een dichter en compacter materiaal te verkrijgen.
Siliciumnitride-keramiek kan bijvoorbeeld worden gebruikt in apparatuur voor het smelten van aluminium, d.w.z. zeer hete plaatsen waar gesmolten aluminium aanwezig is.
Buis voor afdichting gemaakt van Si 3 N 4 keramiek en gebruikt in processen met gegoten aluminium. Hshkrc. Bron: Wikimedia Commons.
De structuur van siliciumnitride-keramiek biedt een geweldige kans om eigenschappen voor specifieke toepassingen te optimaliseren volgens de eisen van ingenieurs. Zelfs veel van de mogelijke toepassingen ervan moeten nog werkelijkheid worden.
Als biomedisch materiaal
Sinds 1989 is vastgesteld dat Si 3 N 4 een biocompatibel materiaal is, wat betekent dat het een deel van een levend organisme kan vervangen zonder schade aan te richten en de regeneratie van het weefsel eromheen mogelijk te maken.
Het wordt gebruikt om componenten te vervaardigen voor de vervanging of reparatie van dragende botten en ook tussenwervelapparaten, dat wil zeggen kleine voorwerpen waarmee de wervelkolom kan worden gerepareerd.
Bij tests die werden uitgevoerd op menselijke of dierlijke botten, vond de verbinding tussen het bot en de implantaten of Si 3 N 4 keramische stukken in korte tijd plaats .
De botten van het menselijk lichaam kunnen worden gerepareerd of vervangen door delen van siliciumnitride. Auteur: Com329329. Bron: Pixabay.
Siliciumnitride is niet giftig, het bevordert celadhesie, normale proliferatie of vermenigvuldiging van cellen en hun differentiatie of groei per celtype.
Hoe siliciumnitride voor biogeneeskunde wordt gemaakt
Voor deze toepassing wordt Si 3 N 4 vooraf onderworpen aan een sinterproces met toevoegingen van aluminiumoxide en yttriumoxide (Al 2 O 3 + Y 2 O 3 ). Dit bestaat uit het uitoefenen van druk en hoge temperatuur op het Si 3 N 4- poeder plus de additieven.
Deze procedure geeft het resulterende materiaal de mogelijkheid om bacteriegroei te voorkomen, het risico op infectie te verminderen en het cellulaire metabolisme van het lichaam te bevorderen.
Het opent dus de mogelijkheid om een snellere genezing in apparaten voor botherstel te bevorderen.
In verschillende toepassingen
Het wordt gebruikt in toepassingen bij hoge temperaturen waar slijtvastheid vereist is, zoals lagers (onderdelen die rotatiebewegingen in machines ondersteunen) en snijgereedschappen.
Het wordt ook gebruikt in turbinebladen (machines gevormd door een trommel met bladen die draaien bij het passeren van water of gas en zo energie opwekken) en gloeiende verbindingen (verbindingen bij hoge temperaturen).
Turbine- of vliegtuigmotor, de bladen kunnen siliciumnitride bevatten. Auteur: Lars_Nissen_Photoart. Bron: Pixabay.
Het wordt gebruikt in thermokoppelbuizen (temperatuursensoren), smeltkroezen van metaal en raketbrandstofinjectoren.
Referenties
- Cotton, F. Albert en Wilkinson, Geoffrey. (1980). Geavanceerde anorganische chemie. Vierde druk. John Wiley & Sons.
- Amerikaanse National Library of Medicine. (2019). Siliciumnitride. Opgehaald van pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
- Dean, JA (redacteur). (1973). Lange's Handbook of Chemistry. Elfde editie. McGraw-Hill Book Company.
- Zhang, JXJ en Hoshino, K. (2019). Grondbeginselen van nano / microfabricage en schaaleffect. In Molecular Sensors and Nanodevices (Second Edition). Opgehaald van sciencedirect.com.
- Drouet, C. et al. (2017). Soorten keramiek. Siliciumnitride: een inleiding. Vooruitgang in keramische biomaterialen. Opgehaald van sciencedirect.com.
- Kita, H. et al. (2013). Herziening en overzicht van siliciumnitride en SiAlON, inclusief hun toepassingen. In Handbook of Advanced Ceramics (Second Edition). Opgehaald van sciencedirect.com.
- Ho, HL en Iyer, SS (2001). DRAM's. Problemen met knooppuntcapaciteit. In Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Opgehaald van sciencedirect.com.
- Zhang, C. (2014). Inzicht in de slijtage- en tribologische eigenschappen van keramische matrixcomposieten. In Advances in Ceramic Matrix Composites (Second Edition). Opgehaald van sciencedirect.com.