Struktura azotku krzemu (Si3N4), właściwości, produkcja, zastosowania

1512
Simon Doyle
Struktura azotku krzemu (Si3N4), właściwości, produkcja, zastosowania

Plik azotek krzemu Jest to związek nieorganiczny utworzony przez azot (N) i krzem (Si). Jego wzór chemiczny to Si3N4. Jest to jasnoszary lub jasnoszary materiał o wyjątkowej twardości i odporności na wysokie temperatury.

Ze względu na swoje właściwości azotek krzemu znajduje zastosowanie tam, gdzie wymagana jest wysoka odporność na ścieranie i wysokie temperatury. Na przykład jest używany do produkcji narzędzi skrawających i łożysk kulkowych.

Kula z azotku krzemu Tak3N4. Lucasbosch [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]. Źródło: Wikimedia Commons.

Jest stosowany w maszynach, które muszą wytrzymywać duże siły mechaniczne, takie jak łopatki turbin, które są jak duże cylindry, w których łopatki muszą obracać się z dużą prędkością wraz z przepływem wody lub gazów, wytwarzając energię.

Ceramika z azotku krzemu jest używana do produkcji części, które muszą mieć kontakt ze stopionymi metalami. Służą również jako zamiennik kości ludzkich lub zwierzęcych.

On to robi3N4 Ma właściwości elektroizolacyjne, to znaczy nie przenosi energii elektrycznej. Dlatego może być stosowany w zastosowaniach mikroelektronicznych lub w bardzo małych urządzeniach elektronicznych.

Indeks artykułów

  • 1 Struktura
  • 2 Nazewnictwo
  • 3 Właściwości
    • 3.1 Stan fizyczny
    • 3.2 Masa cząsteczkowa
    • 3.3 Temperatura topnienia
    • 3.4 Gęstość
    • 3.5 Rozpuszczalność
    • 3.6 Właściwości chemiczne
    • 3.7 Inne właściwości
  • 4 Otrzymywanie
  • 5 zastosowań
    • 5.1 W dziedzinie elektroniki
    • 5.2 W materiałach ceramicznych
    • 5.3 Jako materiał biomedyczny
    • 5.4 Jak powstaje azotek krzemu do biomedycyny
    • 5.5 W różnych zastosowaniach
  • 6 Odnośniki

Struktura

W azotku krzemu każdy atom krzemu (Si) jest kowalencyjnie związany z 4 atomami azotu (N). I odwrotnie, każdy atom azotu jest przyłączony do 3 atomów krzemu.

Dlatego wiązania są bardzo mocne i zapewniają dużą stabilność mieszance..

Struktura Lewisa azotku krzemu Si3N4. Grasso Luigi [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]. Źródło: Wikimedia Commons.
Trójwymiarowa struktura azotku krzemu Si3N4. Szary = silikon; niebieski = azot. Grasso Luigi [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]. Źródło: Wikimedia Commons.

Azotek krzemu ma trzy struktury krystaliczne: alfa (α-Si3N4), beta (β-Si3N4) i gamma (γ-Si3N4). Najpopularniejsze są wersje alfa i beta. Gamma jest uzyskiwana przy wysokich ciśnieniach i temperaturach i jest najtrudniejsza.

Nomenklatura

  • Azotek krzemu
  • Czteroazotek trójkrzemu

Nieruchomości

Stan fizyczny

Solidny, jasnoszary.

Waga molekularna

140,28 g / mol

Temperatura topnienia

1900 ºC

Gęstość

3,44 g / cm3

Rozpuszczalność

Nierozpuszczalne w wodzie. Rozpuszczalny w kwasie fluorowodorowym HF.

Właściwości chemiczne

Jest to bardzo stabilny związek ze względu na sposób, w jaki atomy krzemu i azotu są związane w Si3N4.

Azotek krzemu ma doskonałą odporność na kwas solny (HCl) i siarkowy (Hdwapołudniowy zachód4). Jest również bardzo odporny na utlenianie. Jest odporny na odlewanie aluminium i jego stopy.

Inne właściwości

Charakteryzuje się dobrą odpornością na szok termiczny, wysokim zachowaniem twardości w podwyższonych temperaturach, doskonałą odpornością na erozję i zużycie oraz doskonałą odpornością na korozję.

Posiada wyjątkową twardość, która pozwala na nakładanie cienkich warstw materiału. Zachowuje swoje właściwości w wysokich temperaturach.

Folie z azotku krzemu stanowią doskonałą barierę dla dyfuzji wody, tlenu i metali, nawet w wysokich temperaturach. Są bardzo twarde i mają wysoką stałą dielektryczną, co oznacza, że ​​słabo przewodzą prąd, działając tym samym jako izolator elektryczny..

Z tych wszystkich powodów jest to odpowiedni materiał do zastosowań w wysokich temperaturach i dużych obciążeniach mechanicznych..

Otrzymywanie

Można go otrzymać wychodząc z reakcji amoniaku (NH3) i chlorek krzemu (SiCl4), w którym amidek krzemu Si (NHdwa)4 że po podgrzaniu tworzy imid, a następnie azotek krzemu Si3N4.

Reakcję można podsumować następująco:

Chlorek krzemu + Amoniak → Azotek krzemu + Kwas solny

3 SiCl4 (gaz) + 4 NH3 (gaz) → Tak3N4 (ciało stałe) + 12 HCl (gaz)

Jest również wytwarzany przez obróbkę sproszkowanego krzemu (Si) za pomocą azotu (Ndwa) w temperaturach 1200-1400 ° C Jednak materiał ten ma 20-30% mikroporowatości, co ogranicza jego wytrzymałość mechaniczną..

3 Si (ciało stałe) + 2 N.dwa (gaz) → Tak3N4 (solidny)

Dlatego proszek Si jest spiekany.3N4 aby uformować gęstszą ceramikę, oznacza to, że proszek jest poddawany działaniu wysokiego ciśnienia i temperatury.

Aplikacje

Z zakresu elektroniki

Azotek krzemu jest często stosowany jako warstwa pasywacyjna lub ochronna w układach scalonych i strukturach mikromechanicznych..

Układ scalony to struktura zawierająca elementy elektroniczne niezbędne do wykonywania pewnych funkcji. Jest również nazywany chipem lub mikroczipem.

Azotek krzemu Si3N4 Jest używany do produkcji mikroczipów. Pierwotnym przesyłającym był Zephyris z angielskiej Wikipedii. [CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]. Źródło: Wikimedia Commons.

On to robi3N4 posiada doskonałą odporność na dyfuzję wody, tlenu i metali takich jak sód, dlatego służy jako warstwa izolacyjna lub bariera.

Jest również używany jako materiał dielektryczny, co oznacza, że ​​jest słabym przewodnikiem elektryczności, więc działa jako izolator tego.

Służy to zastosowaniom mikroelektronicznym i fotonicznym (generowanie i wykrywanie fal świetlnych). Stosowany jako cienka warstwa w powłokach optycznych.

Jest to najpowszechniejszy materiał dielektryczny stosowany w kondensatorach z pamięcią dynamiczną o dostępie swobodnym (DRAM). Dynamiczna pamięć o dostępie swobodnym), które są używane w komputerach lub komputerach.

Pamięć DRAM używana w komputerach lub komputerach. Może zawierać azotek krzemu. Victorrocha [CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]. Źródło: Wikimedia Commons.

W materiałach ceramicznych

Ceramika z azotku krzemu ma właściwości charakteryzujące się dużą twardością i odpornością na ścieranie, dlatego znajduje zastosowanie w zastosowaniach inżynierii trybologicznej, czyli tam, gdzie występuje duże tarcie i zużycie..

On to robi3N4 denso charakteryzuje się dużą wytrzymałością na elastyczność, dużą odpornością na pękanie, dobrą odpornością na przeciąganie lub przesuwanie, dużą twardością i doskonałą odpornością na erozję.

Kulki łożyskowe o różnych rozmiarach wykonane z azotku krzemu. Są używane w maszynach. Lucasbosch [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]. Źródło: Wikimedia Commons.

Uzyskuje się to, gdy azotek krzemu jest przetwarzany przez spiekanie w fazie ciekłej poprzez dodanie tlenku glinu i tlenku itru (AldwaLUB3 + YdwaLUB3) w temperaturach 1750-1900 ° C.

Spiekanie polega na poddaniu złożonego proszku działaniu wysokich ciśnień i temperatur w celu uzyskania gęstszego i bardziej zwartego materiału.

Ceramika z azotku krzemu może być stosowana na przykład w urządzeniach do wytapiania aluminium, czyli w bardzo gorących miejscach, w których występuje roztopione aluminium.

Ceramiczna rurka uszczelniająca Si3N4 i stosowany w procesach ze stopionym aluminium. Hshkrc [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]. Źródło: Wikimedia Commons.

Struktura ceramiki z azotku krzemu stwarza doskonałą okazję do optymalizacji właściwości pod kątem konkretnych zastosowań, zgodnie z wymaganiami inżynierów. Nawet wiele z jego potencjalnych zastosowań jeszcze się nie zmaterializowało..

Jako materiał biomedyczny

Od 1989 roku ustalono, że Si3N4 jest materiałem biokompatybilnym, co oznacza, że ​​może zastąpić część żywego organizmu bez powodowania uszkodzeń i pozwalając na regenerację otaczających go tkanek.

Służy do produkcji elementów do wymiany lub naprawy kości nośnych, a także urządzeń międzykręgowych, czyli drobnych przedmiotów umożliwiających naprawę kręgosłupa.

W testach przeprowadzonych na kościach ludzkich lub zwierzęcych w krótkim czasie zrost między kością a implantami lub ceramicznymi kawałkami Si3N4.

Kości ludzkiego ciała można naprawić lub zastąpić częściami azotku krzemu. Autor: Com329329. Źródło: Pixabay.

Azotek krzemu jest nietoksyczny, sprzyja adhezji komórek, normalnej proliferacji lub namnażaniu komórek oraz ich różnicowaniu lub wzrostowi według typu komórek.

Jak powstaje azotek krzemu do biomedycyny

W tym zastosowaniu Si3N4 jest wcześniej poddawany procesowi spiekania z dodatkami tlenku glinu i tlenku itru (AldwaLUB3+YdwaLUB3). Polega to na wywieraniu ciśnienia i wysokiej temperatury na proszek Si.3N4 plus dodatki.

Ta procedura daje otrzymanemu materiałowi zdolność zapobiegania rozwojowi bakterii, zmniejszając ryzyko infekcji i sprzyjając metabolizmowi komórkowemu organizmu..

Dlatego otwiera możliwość promowania szybszego gojenia w urządzeniach do naprawy kości..

W różnych zastosowaniach

Stosowany w zastosowaniach wysokotemperaturowych, gdzie wymagana jest odporność na zużycie, takich jak łożyska (części wspomagające ruch obrotowy w maszynach) i narzędzia skrawające.

Znajduje również zastosowanie w łopatkach turbin (maszynach utworzonych przez bęben z łopatkami, które obracają się podczas przepuszczania wody lub gazu i wytwarzają w ten sposób energię) i połączeniach żarowych (połączenia w wysokich temperaturach).

Silnik turbinowy lub lotniczy, jego łopatki mogą zawierać azotek krzemu. Autor: Lars_Nissen_Photoart. Źródło: Pixabay.

Stosowany w rurkach termopar (czujnikach temperatury), tyglach ze stopionego metalu i wtryskiwaczach paliwa rakietowego.

Bibliografia

  1. Cotton, F. Albert i Wilkinson, Geoffrey. (1980). Zaawansowana chemia nieorganiczna. Czwarta edycja. John Wiley & Sons.
  2. NAS. National Library of Medicine. (2019). Azotek krzemu. Odzyskany z pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
  3. Dean, J.A. (Redaktor). (1973). Podręcznik chemii Lange'a. Wydanie jedenaste. McGraw-Hill Book Company.
  4. Zhang, J.X.J. oraz Hoshino, K. (2019). Podstawy nano / mikrofabrykacji i efektu skali. W: Czujniki molekularne i nanourządzenia (wydanie drugie). Odzyskany z sciencedirect.com.
  5. Drouet, C. i in. (2017). Rodzaje ceramiki. Azotek krzemu: wprowadzenie. Postępy w biomateriałach ceramicznych. Odzyskany z sciencedirect.com.
  6. Kita, H. i in. (2013). Przegląd i przegląd azotku krzemu i SiAlON, w tym ich zastosowań. W Handbook of Advanced Ceramics (drugie wydanie). Odzyskany z sciencedirect.com.
  7. Ho, H.L. i Iyer, S.S. (2001). DRAMy. Problemy z pojemnością węzłów. W Encyklopedii materiałów: nauka i technologia. Odzyskany z sciencedirect.com.
  8. Zhang, C. (2014). Poznanie zużycia i właściwości trybologicznych kompozytów z osnową ceramiczną. In Advances in Ceramic Matrix Composites (wydanie drugie). Odzyskany z sciencedirect.com.

Jeszcze bez komentarzy