СИЛИЦИЈУМ НИТРИД (СИ3Н4): СТРУКТУРА, СВОЈСТВА, ПРОИЗВОДЊА, УПОТРЕБЕ - ХЕМИЈА - 2026

Силицијум нитрид је неорганско једињење се састоји од азота (Н) и силицијум (Си). Његова хемијска формула је Си ₃ Н ₄ . То је светло сив или светлосив материјал изузетне тврдоће и отпорности на високе температуре.

Због својих својстава силицијум нитрид се користи у апликацијама где је потребна велика отпорност на хабање и високе температуре. На пример, користи се за израду алата за резање и кугличних лежајева.

Сфера силицијум нитрида Си ₃ Н ₄ . Луцасбосцх. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Користи се у деловима машина који се морају одупријети великим механичким силама, попут лопатица турбине, која су попут великих цилиндара где се лопатице морају окретати великом брзином с проласком воде или гасова, производећи енергију.

Керамика нитрид силицијум се користи за прављење делова који морају доћи у контакт са растаљеним металима. Такође се могу користити као замена за људске или животињске кости.

Си ₃ Н ₄ има електрична изолациона својства, односно не преноси електричну енергију. Због тога се може користити у микроелектронским апликацијама или у веома малим електронским уређајима.

Структура

У силицијум нитриду сваки атом силицијума (Си) је ковалентно повезан са 4 атома азота (Н). Супротно томе, сваки атом азота је везан за 3 атома силицијума.

Стога су везе врло јаке и дају једињењу високу стабилност.

Левисова структура силицијум нитрида Си ₃ Н ₄ . Грассо Луиги. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Тродимензионална структура силицијум нитрида Си ₃ Н ₄ . Сива = силицијум; плави = азот. Грассо Луиги. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Силицијум нитрид има три кристалне структуре: алпха (α-Си ₃ Н ₄ ), бета (β-Си ₃ Н ₄ ) и гама (γ-Си ₃ Н ₄ ). Алфа и бета су најчешћи. Гама се добија при високим притисцима и температурама и најтврђа је.

Номенклатура

• Силицијум нитрид
• Трисилицон тетранитриде

Својства

Физичко стање

Чврсто светло сиво.

Молекуларна тежина

140,28 г / мол

Тачка топљења

1900 ºЦ

Густина

3,44 г / цм ³

Растворљивост

Нерастворљив у води. Растворљив у ХФ флуороводоничне киселине.

Хемијска својства

Ово је веома стабилно једињење, због начина на који су атоми силицијум и азота су везани у Си ₃ Н _4.

Силицијум нитрид има одличну отпорност на хлороводоничне (ХЦл) и сумпорне (Х ₂ СО ₄ ) киселина . Такође је врло отпоран на оксидацију. Отпоран је на ливени алуминијум и његове легуре.

Остала својства

Има добру отпорност на топлотни удар, велико задржавање тврдоће на повишеним температурама, одличну отпорност на ерозију и хабање и одличну отпорност на корозију.

Има изузетну тврдоћу која омогућава наношење танких дебљина материјала. Одржава своја својства на високим температурама.

Силицијум нитридни филмови су одличне баријере за дифузију воде, кисеоника и метала, чак и при високим температурама. Веома су чврсти и имају велику диелектричну константу, што значи да лоше проводе струју, делујући на тај начин као електрични изолатор.

Због свих ових разлога је погодан материјал за примену на високим температурама и високим механичким напонима.

Прибављање

Може се добити полазећи од реакције између амонијака (НХ ₃ ) и силицијум хлорида (СиЦл ₄ ), у којој силикон амид Си (НХ ₂ ) _{је произведена 4.} који када загрејана формира имид а затим силицијум-нитрида Си ₃ Н ₄ .

Реакција се може сумирати на следећи начин:

Силицијум хлорид + амонијак → Силицијум нитрид + хлороводонична киселина

3 СиЦл ₄ (гас) + 4 НХ ₃ (гас) → Си ₃ Н ₄ (добар) + 12 ХЦл (гас)

Такође је произведен третирањем компактним праху силицијум (Си) са азотним гасом (Н ₂ ) на температури од 1200-1400 ° Ц. Међутим, овај материјал има 20-30% микропорозности која ограничава његову механичку чврстоћу.

3 Си (чврсто) + 2 Н ₂ (гас) → Си ₃ Н ₄ (чврсто)

Због тога је прах Си ₃ Н ₄ синтраран да би се створио гушће керамике, то значи да је прах изложен високом притиску и температури.

Апликације

У области електронике

Силицијум нитрид се често користи као пасивизациони или заштитни слој у интегрисаним круговима и микромеханичким структурама.

Интегрисано коло је структура која садржи електронске компоненте неопходне за обављање неке функције. Назива се и чип или микрочип.

Силицијум нитрид Си ₃ Н ₄ користи се у производњи микрочипова. Оригинални учитавач био је Зепхирис на енглеској Википедији. . Извор: Викимедиа Цоммонс.

Си ₃ Н ₄ има одличну отпорност на дифузију воде, кисеоника и метала попут натријума, због чега служи као изолациони слој или баријера.

Користи се и као диелектрични материјал, што значи да је лош проводник електричне енергије, па дјелује као изолатор за то.

Ово служи за микроелектронске и фотонске апликације (стварање и детекција светлосних таласа). Користи се као танки слој у оптичким премазима.

То је најчешћи диелектрични материјал који се користи у кондензаторима за динамичку меморију са случајним приступом или ДРАМ (Динамиц Рандом Аццесс Мемори), који се користе у рачунарима.

ДРАМ меморија која се користи у рачунару или на рачунару. Може да садржи силицијум нитрид. Вицторроцха. Извор: Викимедиа Цоммонс.

У керамичким материјалима

Силицијум-нитрид керамика има својства високе тврдоће и отпорности на хабање, због чега се користи у триболошким инжењерским примењивањима, то јест користи тамо где се јавља много трења и хабања.

Густи Си ₃ Н ₄ има велику флексибилну чврстоћу, високу отпорност на лом, добру отпорност на вучење или клизање, високу тврдоћу и одличну отпорност на ерозију.

Кугличне куглице различитих величина израђене од силицијум нитрида. Користе се за машине. Луцасбосцх. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Ово се добија када се силицијум нитрид прерађује синтеровањем у течној фази додавањем алуминијум оксида и итријум оксида (Ал ₂ О ₃ + И ₂ О ₃ ) на температурама од 1750-1900 ° Ц.

Синтеровање се састоји од подвргавања једињења праха високим притисцима и температурама да би се добио гушћи и компактнији материјал.

Керамика нитрид керамика може се користити на пример у опреми за топљење алуминијума, то јест на веома врућим местима на којима има растопљени алуминијум.

Цев за заптивање израђена од Си ₃ Н ₄ керамике и користи се у поступцима са ливеним алуминијумом. Хсхкрц. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Структура керамичке нитрид керамике пружа одличну прилику за оптимизацију својстава за специфичне примене у складу са захтевима инжењера. Чак се многе његове потенцијалне примене тек морају реализовати.

Као биомедицински материјал

Од 1989. године установљено је да је Си ₃ Н ₄ биокомпатибилни материјал, што значи да може заменити део живог организма без наношења оштећења и омогућавања регенерације ткива око њега.

Користи се за производњу компоненти за замену или поправак носивих костију и интервертебралних уређаја, односно ситних предмета који омогућавају поправак кичме.

У тестовима који су извршени на људским или животињским костима, дошло је до спајања кости и имплантата или Си ₃ Н ₄ керамичких комада у кратком времену .

Кости људског тела могу се поправити или заменити деловима силицијум нитрида. Аутор: Цом329329. Извор: Пикабаи.

Силицијум нитрид није токсичан, погодује ћелијској адхезији, нормалној пролиферацији или множењу ћелија и њиховој диференцијацији или расту према типу ћелије.

Како се прави силицијум нитрид за биомедицину

За ову примену, Си ₃ Н ₄ претходно је подвргнут процесу синтеровања са додацима глинице и етријум оксида (Ал ₂ О ₃ + И ₂ О ₃ ). Ово се састоји од примене притиска и високе температуре на прах Си ₃ Н ₄ плус адитиве.

Овај поступак даје добијеном материјалу способност да спречи раст бактерија, смањујући ризик од инфекције и промовишући ћелијски метаболизам у телу.

На тај начин отвара се могућност промовисања бржег зацељења у уређајима за поправљање костију.

У разним апликацијама

Користи се у високим температурама где је потребна отпорност на хабање, као што су лежајеви (делови који подржавају ротационо кретање у машинама) и резни алати.

Такође се користи у лопатицама турбина (машине које формира бубањ са сечивима који се окрећу приликом проласка воде или гаса и тако стварају енергију) и ужарене везе (спојеви на високим температурама).

Мотор турбине или авиона, његове лопатице могу садржати силицијум нитрид. Аутор: Ларс_Ниссен_Пхотоарт. Извор: Пикабаи.

Користи се у термоелементима (температурни сензори), растопљеним металним лончићима и ракетним млазницама.

Референце

1. Цоттон, Ф. Алберт и Вилкинсон, Геоффреи. (1980). Напредна неорганска хемија. Четврто издање. Јохн Вилеи & Сонс.
2. Америчка национална медицинска библиотека. (2019). Силицијум нитрит. Опоравак од пубцхем.нцби.нлм.них.гов.
3. Деан, ЈА (уредник). (1973). Лангеов приручник хемије. Једанаесто издање. МцГрав-Хилл Боок Цомпани.
4. Зханг, ЈКСЈ и Хосхино, К. (2019). Основе нано / микрофабрикације и ефекат скалирања. У молекуларним сензорима и наноде уређајима (друго издање). Опоравак од сциенцедирецт.цом.
5. Дроует, Ц. и др. (2017). Врсте керамике. Силицијум нитрид: увод. Убрзавање керамичких биоматеријала. Опоравак од сциенцедирецт.цом.
6. Кита, Х. и др. (2013). Преглед и преглед Силицијум нитрида и СиАлОН-а, укључујући њихове примене. У Приручнику за напредну керамику (друго издање). Опоравак од сциенцедирецт.цом.
7. Хо, ХЛ и Ииер, СС (2001). ДРАМ-ови. Питања капацитета чвора. У Енциклопедији материјала: Наука и технологија. Опоравак од сциенцедирецт.цом.
8. Зханг, Ц. (2014). Разумевање хабања и триболошких својстава керамичких композитних матрица. У напредима композита из керамичке матрице (друго издање). Опоравак од сциенцедирецт.цом.