Struttura di silicio nitruro (SI3N4), proprietà, ottenimento, usi

Lui nitruro di silicio È un composto inorganico formato da azoto (N) e silicio (sì). La sua formula chimica è se₃N₄. È un materiale grigio o grigio brillante di eccezionale durezza e resistenza alle alte temperature.

A causa delle sue proprietà, il silicio nitro viene utilizzato in applicazioni in cui è richiesta un'alta resistenza all'usura e alte temperature. Ad esempio, viene utilizzato per produrre utensili da taglio e sfere del cuscinetto.

Sfera di nitruro di silicio sì₃N₄. Lucasbosch [CC BY-SA (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

Viene utilizzato in pezzi di macchinari che devono resistere alle alte forze meccaniche, come le palette di turbine, che sono come grandi cilindri in cui le tavolozze devono girare ad alta velocità sull'acqua o i gas, producendo energia.

Le ceramiche di silicio NiTro sono usate per creare parti che devono entrare in contatto con metalli fusi. Servono anche ad essere usati in sostituzione di ossa o animali umani.

Lui fa₃N₄ Ha proprietà dell'isolante elettrico, cioè non trasmette l'elettricità. Pertanto può essere utilizzato in applicazioni microelettroniche o dispositivi elettronici molto piccoli.

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Struttura

Nel nitruro di silicio ogni atomo di silicio (SI) è legato in modo covalente con i 4 atomi di azoto (N). Viceversa, ogni atomo di azoto è collegato ai 3 atomi di silicio.

Pertanto i sindacati sono molto forti e danno un'alta stabilità al composto.

Struttura di Lewis di nitruro di silicio Sì₃N₄. Grasso Luigi [CC BY-SA (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.Struttura in tre dimensioni di nitruro di silicio se₃N₄. Grigio = silicio; Blu = azoto. Grasso Luigi [CC BY-SA (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

Il nitruro di silicio ha tre strutture cristalline: alfa (α-yes₃N₄), beta (β-Si₃N₄) e gamma (γ-yes₃N₄). Alfa e beta sono i più comuni. La gamma è ottenuta ad alte pressioni e temperature ed è il più difficile.

Nomenclatura

• Nitruro di silicio
• Trisilicio tetranitride

Proprietà

Stato fisico

Solido grigio brillante.

Peso molecolare

140,28 g/mol

Punto di fusione

1900 ºC

Densità

3,44 g/cm³

Solubilità

Insolubile in acqua. Solubile in acido fluorhorico HF.

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Proprietà chimiche

Questo è un composto molto stabile, a causa del modo in cui gli atomi di silicio e azoto sono collegati al Si₃N_4.

Il silicio nitro ha un'eccellente resistenza agli acidi cloridi (HCl) e solforici (H₂SW₄). È anche molto resistente all'ossidazione. È resistente all'alluminio fuso e alle sue leghe.

Altre proprietà

Ha una buona resistenza allo shock termico, ad alta durezza a temperature elevate, eccellente resistenza all'erosione e all'usura e all'eccellente resistenza alla corrosione.

Ha un'eccezionale durezza che consente l'applicazione di sottili spessori del materiale. Mantiene le sue proprietà ad alte temperature.

I film di nitruro di silicio sono eccellenti barriere per la diffusione di acqua, ossigeno e metalli, anche ad alte temperature. Sono molto duri e hanno una costante dielettrica elevata, il che significa che l'elettricità conduce male, quindi agiscono come un isolatore elettrico.

È per tutti questi motivi che si tratta di un materiale adeguato per applicazioni ad alta temperatura e ad alta sollecitazione meccanica.

Ottenimento

Può essere ottenuto dalla reazione tra ammoniaca (NH₃) e cloruro di silicio (SICL₄), in cui viene prodotta l'ammide del silicio (NH₂)₄ che quando riscaldato forma un imida e poi il nitruro di silicio se₃N₄.

La reazione può essere riassunta come segue:

Silicio + cloruro di ammoniaca → nitruro di silicio + acido cloridrico

3 SICL₄ (gas) + 4 NH₃ (gas) → Sì₃N₄ (solido) + 12 HCl (gas)

È anche prodotto trattare la polvere compatta di silicio (SÌ) con gas azoto (n₂) A 1200-1400 ° C temperature. Tuttavia, questo materiale ha il 20-30% della microporosità che limita la sua forza meccanica.

3 sì (solido) + 2 n₂ (gas) → Sì₃N₄ (solido)

Ecco perché la polvere di se stessa è sinteriosa₃N₄ Per formare ceramiche più dense, ciò significa che la polvere subisce alta pressione e temperatura.

Applicazioni

Nel campo dell'elettronica

Il nitruro di silicio è spesso usato come strato di passivazione o protezione nei circuiti integrati e nelle strutture micromeccaniche.

Un circuito integrato è una struttura che contiene i componenti elettronici necessari per svolgere una certa funzione. Si chiama anche chip o microchip.

Può servirti: metalliSilicio nitruro se₃N₄ Viene utilizzato nella produzione di microchips. Il caricatore originale era Zephyris a inglese Wikipedia. [CC BY-S (http: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0/]]. Fonte: Wikimedia Commons.

Lui fa₃N₄ Ha un'eccellente resistenza alla diffusione di acqua, ossigeno e metalli come il sodio, quindi funge da strato o barriera isolante.

Viene anche usato come materiale dielettrico, ciò significa che è un cattivo conduttore di elettricità, quindi funge da isolante di questo.

Questo serve per applicazioni microelettroniche e fotoniche (generazione e rilevamento di onde luminose). È usato come strato fine nei rivestimenti ottici.

È il materiale dielettrico più comune utilizzato nei condensatori per fanghi dinamici di accesso casuale (acronimo per l'inglese Memoria di accesso casuale dinamico), che sono quelli utilizzati su computer o computer.

Dram Memory utilizzata su computer o computer. Può contenere nitruro di silicio. Victorrocha [CC di (https: // creativeCommons.Org/licenze/di/3.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

In materiali in ceramica

La ceramica di nitruro di silicio ha proprietà di resistenza alla durezza e all'usura, quindi viene utilizzata nelle applicazioni di ingegneria tribologica, ovvero usa dove si verificano molta attrito e usura.

Lui fa₃N₄ Dense ha un'alta forza flessibile, un'alta resistenza alla frattura, una buona resistenza alla resistenza o scorrevole, alta durezza e eccellente resistenza all'erosione.

Sfere cuscinetti di varie dimensioni realizzate con nitruro di silicio. Servono ad essere utilizzati nei macchinari. Lucasbosch [CC BY-SA (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

Ciò si ottiene quando il nitruro di silicio viene elaborato per mezzo₂O₃ + E₂O₃) a temperature di 1750-1900 ° C.

La sinterizzazione consiste nel sottoporre una polvere di un composto ad alte pressioni e temperature per ottenere un materiale denso e compatto.

La ceramica di nitruro di silicio può essere utilizzata ad esempio in attrezzature di fusione in alluminio, cioè luoghi molto caldi in cui c'è alluminio fuso.

Tubo di sigillatura realizzato con ceramica di se stesso₃N₄ e utilizzato nei processi di alluminio fuso. HSHKRC [CC BY-S (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

La struttura della ceramica di NiTro di silicio offre una grande opportunità per ottimizzare le proprietà per applicazioni specifiche in base alle richieste degli ingegneri. Anche molte delle sue potenziali applicazioni non si sono ancora materializzate.

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Come materiale di biomedicina

Dal 1989 è stato stabilito che il SI₃N₄ È un materiale biocompatibile, il che significa che può sostituire una parte di un organismo vivente senza causare danni e consentire la rigenerazione del tessuto che lo circonda.

Serve a produrre componenti per la sostituzione o la riparazione di ossa che supportano il carico e anche i dispositivi intervertebrali, ovvero piccoli oggetti che consentono di riparare la colonna vertebrale.

Nei test effettuati negli animali o negli animali in breve tempo, l'unione tra l'osso e gli impianti o pezzi ceramici se₃N₄.

Le ossa del corpo umano possono essere sostituite o sostituite con pezzi di nitruro di silicio. Autore: COM329329. Fonte: Pixabay.

Il nitruro di silicio è non tossico, favorisce l'adesione cellulare, la normale proliferazione o moltiplicazione delle cellule e la loro differenziazione o crescita cellulare.

Come viene prodotto il silicio nitruro per la biomedicina

Per questa applicazione il SI₃N₄ È precedentemente sottoposto a un processo di sinterizzazione con additivi di allumina e ossido di ititrium (a₂O₃+E₂O₃). Ciò consiste nell'applicare la pressione e l'alta temperatura alla polvere di se stessa₃N₄ più additivi.

Questa procedura fa sì che il materiale risultante abbia la capacità di prevenire la crescita batterica riducendo il rischio di infezione e favorendo il metabolismo cellulare del corpo.

Pertanto apre la possibilità di promuovere una guarigione più veloce nei dispositivi di riparazione ossei.

In diverse applicazioni

Viene utilizzato in applicazioni ad alta temperatura in cui è richiesta la resistenza all'usura, come cuscinetti (parti che supportano il movimento rotante nelle macchine) e utensili da taglio.

Viene anche usato nelle tavolozze di turbine (macchine formate da un tamburo con palette che trasformano l'acqua o il gas e quindi generano energia) e collegamenti a incandescenza (giunti ad alte temperature).

Turbina o motore piane, le tavolozze possono contenere silicio nitruro. Autore: Lars_Nissen_Photoart. Fonte: Pixabay.

Viene utilizzato nei tubi termocoppati (sensori di temperatura), crosol di metallo fuso e iniettori di carburante a razzo.

Riferimenti

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