- Kết cấu
- Danh pháp
- Tính chất
- Tình trạng thể chất
- Trọng lượng phân tử
- Độ nóng chảy
- Tỉ trọng
- Độ hòa tan
- Tính chất hóa học
- Các tài sản khác
- Thu được
- Các ứng dụng
- Trong lĩnh vực điện tử
- Trong vật liệu gốm
- Là một vật liệu y sinh
- Silicon Nitride cho Biomedicine được tạo ra như thế nào
- Trong các ứng dụng khác nhau
- Người giới thiệu
Các silicon nitride là một hợp chất vô cơ gồm nitơ (N) và silicon (Si). Công thức hóa học của nó là Si 3 N 4 . Nó là một vật liệu màu xám sáng hoặc xám nhạt có độ cứng đặc biệt và khả năng chịu nhiệt độ cao.
Do đặc tính của nó, silicon nitride được sử dụng trong các ứng dụng cần khả năng chống mài mòn và nhiệt độ cao. Ví dụ, nó được sử dụng để chế tạo dụng cụ cắt và ổ bi.
Quả cầu silic nitrit Si 3 N 4 . Lucasbosch. Nguồn: Wikimedia Commons.
Nó được sử dụng trong các bộ phận của máy móc phải chống lại lực cơ học cao, chẳng hạn như cánh tuabin, giống như các xi lanh lớn nơi các cánh phải quay ở tốc độ cao cùng với sự di chuyển của nước hoặc khí, tạo ra năng lượng.
Gốm silic nitrit được sử dụng để chế tạo các bộ phận phải tiếp xúc với kim loại nóng chảy. Chúng cũng có thể được sử dụng để thay thế xương người hoặc động vật.
Si 3 N 4 có tính chất cách điện tức là không truyền điện. Do đó nó có thể được sử dụng trong các ứng dụng vi điện tử hoặc trong các thiết bị điện tử rất nhỏ.
Kết cấu
Trong nitrit silic, mỗi nguyên tử silic (Si) được liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử nitơ (N). Ngược lại, mỗi nguyên tử nitơ được gắn với 3 nguyên tử silic.
Do đó, các liên kết rất bền chặt và tạo cho hợp chất có độ ổn định cao.
Cấu trúc Lewis của silic nitrit Si 3 N 4 . Grasso Luigi. Nguồn: Wikimedia Commons.
Cấu trúc ba chiều của silic nitrit Si 3 N 4 . Xám = silicon; xanh lam = nitơ. Grasso Luigi. Nguồn: Wikimedia Commons.
Nitrua silic có ba cấu trúc tinh thể: alpha (α-Si 3 N 4 ), beta (β-Si 3 N 4 ) và gamma (γ-Si 3 N 4 ). Alpha và beta là phổ biến nhất. Gamma thu được ở áp suất và nhiệt độ cao và là gamma cứng nhất.
Danh pháp
- Silicon nitride
- Trisilicon tetranitride
Tính chất
Tình trạng thể chất
Màu xám sáng rắn.
Trọng lượng phân tử
140,28 g / mol
Độ nóng chảy
1900 ºC
Tỉ trọng
3,44 g / cm 3
Độ hòa tan
Không tan trong nước. Hòa tan trong axit flohydric HF.
Tính chất hóa học
Đây là một hợp chất rất bền, do cách các nguyên tử silic và nitơ được liên kết trong Si 3 N 4.
Nitrua silic có khả năng chống lại axit clohydric (HCl) và axit sunfuric (H 2 SO 4 ) rất tốt. Nó cũng có khả năng chống oxy hóa rất tốt. Nó có khả năng chống lại nhôm đúc và các hợp kim của nó.
Các tài sản khác
Nó có khả năng chống sốc nhiệt tốt, giữ được độ cứng cao ở nhiệt độ cao, khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn tuyệt vời.
Nó có độ cứng đặc biệt cho phép áp dụng các độ dày mỏng của vật liệu. Nó duy trì các đặc tính của nó ở nhiệt độ cao.
Màng nitrua silic là rào cản tuyệt vời đối với sự khuếch tán của nước, oxy và kim loại, ngay cả ở nhiệt độ cao. Chúng rất cứng và có hằng số điện môi cao, có nghĩa là chúng dẫn điện kém, do đó hoạt động như một chất cách điện.
Vì tất cả những lý do này mà nó là vật liệu thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao và ứng suất cơ học cao.
Thu được
Nó có thể thu được bắt đầu từ phản ứng giữa amoniac (NH 3 ) và silic clorua (SiCl 4 ), trong đó silic amit Si (NH 2 ) 4 được tạo ra, khi đun nóng tạo thành imit và sau đó là silic nitrit Si. 3 N 4 .
Phản ứng có thể được tóm tắt như sau:
Clorua silic + Amoniac → Silic nitrit + Axit clohydric
3 SiCl 4 (khí) + 4 NH 3 (khí) → Si 3 N 4 (rắn) + 12 HCl (khí)
Nó cũng được sản xuất bằng cách xử lý silic dạng bột nén (Si) với khí nitơ (N 2 ) ở nhiệt độ 1200-1400 ° C. Tuy nhiên, vật liệu này có độ xốp 20-30% nên hạn chế độ bền cơ học của nó.
3 Si (rắn) + 2 N 2 (khí) → Si 3 N 4 (rắn)
Vì lý do này, bột Si 3 N 4 được thiêu kết để tạo thành gốm đặc hơn, điều này có nghĩa là bột phải chịu áp suất và nhiệt độ cao.
Các ứng dụng
Trong lĩnh vực điện tử
Silicon nitride thường được sử dụng như một lớp thụ động hóa hoặc lớp bảo vệ trong các mạch tích hợp và cấu trúc vi cơ.
Mạch tích hợp là một cấu trúc chứa các thành phần điện tử cần thiết để thực hiện một số chức năng. Nó còn được gọi là chip hoặc vi mạch.
Silicon nitride Si 3 N 4 được sử dụng trong sản xuất vi mạch. Người tải lên ban đầu là Zephyris tại Wikipedia tiếng Anh. . Nguồn: Wikimedia Commons.
Si 3 N 4 có khả năng chống lại sự khuếch tán của nước, oxy và các kim loại như natri, đó là lý do tại sao nó được sử dụng như một lớp cách nhiệt hoặc rào cản.
Nó cũng được sử dụng như một vật liệu điện môi, điều này có nghĩa là nó là chất dẫn điện kém, vì vậy nó hoạt động như một chất cách điện cho nó.
Điều này phục vụ cho các ứng dụng vi điện tử và quang tử (tạo và phát hiện sóng ánh sáng). Nó được sử dụng như một lớp mỏng trong lớp phủ quang học.
Nó là vật liệu điện môi phổ biến nhất được sử dụng trong các tụ điện cho bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động hoặc DRAM (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động), được sử dụng trong máy tính.
Bộ nhớ DRAM được sử dụng trong máy tính hoặc máy tính. Có thể chứa nitrua silic. Victorrocha. Nguồn: Wikimedia Commons.
Trong vật liệu gốm
Gốm silicon nitride có đặc tính là độ cứng cao và khả năng chống mài mòn, đó là lý do tại sao nó được sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật cống hóa, tức là sử dụng ở những nơi có nhiều ma sát và mài mòn.
Si 3 N 4 dày đặc thể hiện độ bền dẻo cao, khả năng chống đứt gãy cao, khả năng chống kéo hoặc trượt tốt, độ cứng cao và khả năng chống xói mòn tuyệt vời.
Quả cầu ổ bi có nhiều kích cỡ khác nhau được làm bằng silicon nitride. Chúng được sử dụng để sử dụng trong máy móc. Lucasbosch. Nguồn: Wikimedia Commons.
Điều này thu được khi silic nitrua được xử lý bằng cách nung kết trong pha lỏng thêm nhôm oxit và yttrium oxit (Al 2 O 3 + Y 2 O 3 ) ở nhiệt độ 1750-1900 ° C.
Quá trình thiêu kết bao gồm việc cho một loại bột hợp chất chịu áp suất và nhiệt độ cao để thu được một vật liệu đặc hơn và chặt hơn.
Ví dụ như gốm silic nitrit có thể được sử dụng trong thiết bị nấu chảy nhôm, tức là những nơi rất nóng, nơi có mặt nhôm nóng chảy.
Ống làm kín bằng gốm Si 3 N 4 và được sử dụng trong các quy trình bằng nhôm đúc. Hshkrc. Nguồn: Wikimedia Commons.
Cấu trúc của gốm silicon nitride mang lại cơ hội tuyệt vời để tối ưu hóa các đặc tính cho các ứng dụng cụ thể theo yêu cầu của các kỹ sư. Thậm chí nhiều ứng dụng tiềm năng của nó vẫn chưa thành hiện thực.
Là một vật liệu y sinh
Kể từ năm 1989, Si 3 N 4 được coi là vật liệu tương hợp sinh học, có nghĩa là nó có thể thay thế một phần của cơ thể sống mà không gây tổn thương và cho phép tái tạo mô xung quanh nó.
Nó được sử dụng để sản xuất các bộ phận để thay thế hoặc sửa chữa xương chịu lực và cả các thiết bị đĩa đệm, tức là các vật nhỏ cho phép sửa chữa cột sống.
Trong các thử nghiệm được thực hiện trên xương người hoặc động vật, sự kết hợp giữa xương và mô cấy hoặc mảnh gốm Si 3 N 4 xảy ra trong thời gian ngắn .
Xương của cơ thể con người có thể được sửa chữa hoặc thay thế bằng các bộ phận của nitrua silic. Tác giả: Com329329. Nguồn: Pixabay.
Silicon nitride không độc, nó hỗ trợ sự kết dính của tế bào, sự tăng sinh hoặc nhân lên bình thường của các tế bào và sự biệt hóa hoặc tăng trưởng của chúng theo loại tế bào.
Silicon Nitride cho Biomedicine được tạo ra như thế nào
Đối với ứng dụng này, Si 3 N 4 trước đây đã trải qua quá trình thiêu kết với các chất phụ gia là nhôm và oxit yttrium (Al 2 O 3 + Y 2 O 3 ). Điều này bao gồm việc tạo áp suất và nhiệt độ cao cho bột Si 3 N 4 cùng với các chất phụ gia.
Quy trình này cung cấp cho vật liệu kết quả khả năng ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn, giảm nguy cơ nhiễm trùng và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi chất tế bào của cơ thể.
Do đó, nó mở ra khả năng thúc đẩy quá trình lành thương nhanh hơn trong các thiết bị sửa chữa xương.
Trong các ứng dụng khác nhau
Nó được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao cần khả năng chống mài mòn, chẳng hạn như ổ trục (bộ phận hỗ trợ chuyển động quay trong máy) và dụng cụ cắt.
Nó cũng được sử dụng trong các cánh tuabin (máy được tạo thành bởi một trống với các cánh quay khi đi qua nước hoặc khí và do đó tạo ra năng lượng) và các kết nối sợi đốt (khớp ở nhiệt độ cao).
Tua bin hoặc động cơ máy bay, các cánh của nó có thể chứa nitrit silic. Tác giả: Lars_Nissen_Photoart. Nguồn: Pixabay.
Nó được sử dụng trong ống cặp nhiệt điện (cảm biến nhiệt độ), nồi nấu kim loại nóng chảy và kim phun nhiên liệu tên lửa.
Người giới thiệu
- Cotton, F. Albert và Wilkinson, Geoffrey. (1980). Hóa học Vô cơ nâng cao. Ấn bản thứ tư. John Wiley và các con trai.
- Thư viện Y khoa Quốc gia Hoa Kỳ. (2019). Silicon nitride. Đã khôi phục từ pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
- Dean, JA (Chủ biên). (Năm 1973). Lange's Handbook of Chemistry. Ấn bản thứ mười một. Công ty sách McGraw-Hill.
- Zhang, JXJ và Hoshino, K. (2019). Các nguyên tắc cơ bản về chế tạo nano / vi mô và hiệu ứng quy mô. Trong Cảm biến Phân tử và Thiết bị Nano (Phiên bản thứ hai). Được khôi phục từ sciricalirect.com.
- Drouet, C. và cộng sự. (2017). Các loại gốm sứ. Silicon nitride: phần mở đầu. Trong những tiến bộ trong vật liệu sinh học gốm. Được khôi phục từ sciricalirect.com.
- Kita, H. và cộng sự. (2013). Đánh giá và Tổng quan về Silicon Nitride và SiAlON, bao gồm các ứng dụng của chúng. Trong Handbook of Advanced Ceramics (Tái bản lần thứ hai). Được khôi phục từ sciricalirect.com.
- Ho, HL và Iyer, SS (2001). DRAM. Các vấn đề về điện dung nút. Trong Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Được khôi phục từ sciricalirect.com.
- Zhang, C. (2014). Hiểu được tính chất mài mòn và độ mòn của vật liệu tổng hợp nền gốm. Trong những tiến bộ trong vật liệu tổng hợp ma trận gốm (Phiên bản thứ hai). Được khôi phục từ sciricalirect.com.