- Struktura
- Nomenklatura
- Nieruchomości
- Stan fizyczny
- Waga molekularna
- Temperatura topnienia
- Gęstość
- Rozpuszczalność
- Właściwości chemiczne
- Inne właściwości
- Otrzymywanie
- Aplikacje
- Z zakresu elektroniki
- W materiałach ceramicznych
- Jako materiał biomedyczny
- Jak powstaje azotek krzemu do biomedycyny
- W różnych zastosowaniach
- Bibliografia
Azotek krzemu jest nieorganicznym związkiem stanowiącym azot (N) i krzemu (Si). Jego wzór chemiczny to Si 3 N 4 . Jest to jasnoszary lub jasnoszary materiał o wyjątkowej twardości i odporności na wysokie temperatury.
Ze względu na swoje właściwości azotek krzemu znajduje zastosowanie w aplikacjach, w których wymagana jest wysoka odporność na ścieranie i wysokie temperatury. Na przykład służy do wykonywania narzędzi skrawających i łożysk kulkowych.
Kula z azotku krzemu Si 3 N 4 . Lucasbosch. 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. Mogą być również stosowane jako zamiennik kości ludzkich lub zwierzęcych.
Si 3 N 4 ma właściwości elektroizolacyjne, to znaczy nie przenosi energii elektrycznej. Dlatego może być stosowany w zastosowaniach mikroelektronicznych lub w bardzo małych urządzeniach elektronicznych.
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 mieszance dużą stabilność.
Struktura Lewisa azotku krzemu Si 3 N 4 . Grasso Luigi. Źródło: Wikimedia Commons.
Trójwymiarowa struktura azotku krzemu Si 3 N 4 . Szary = silikon; niebieski = azot. Grasso Luigi. Źródło: Wikimedia Commons.
Azotek krzemu posiada trzy struktury krystaliczne: alfa (α-Si 3 N 4 ), beta (β-Si 3 N 4 ) i gamma (γ-Si 3 N 4 ). 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
Jednolity jasny szary.
Waga molekularna
140,28 g / mol
Temperatura topnienia
1900 ºC
Gęstość
3,44 g / cm 3
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 Si 3 N 4.
Azotek krzemu ma doskonałą odporność na kwasy solny (HCl) i siarkowy (H 2 SO 4 ). 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 (NH 3 ) i chlorku krzemu (SiCl 4 ), w której powstaje amidek krzemu Si (NH 2 ) 4, który po podgrzaniu tworzy imid, a następnie azotek krzemu Si 3 nr 4 .
Reakcję można podsumować następująco:
Chlorek krzemu + Amoniak → Azotek krzemu + Kwas solny
3 SiCl 4 (gaz) + 4 NH 3 (gaz) → Si 3 N 4 (ciało stałe) + 12 HCl (gaz)
Jest również wytwarzany poprzez obróbkę zwartego sproszkowanego krzemu (Si) azotem (N 2 ) w temperaturach 1200-1400 ° C. Jednak materiał ten ma 20-30% mikroporowatości, co ogranicza jego wytrzymałość mechaniczną.
3 Si (ciało stałe) + 2 N 2 (gaz) → Si 3 N 4 (ciało stałe)
Z tego powodu proszek Si 3 N 4 jest spiekany w celu uzyskania gęstszej ceramiki, co oznacza, 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 Si 3 N 4 jest używany do produkcji mikroczipów. Pierwszym przesyłającym był Zephyris z angielskiej Wikipedii. . Źródło: Wikimedia Commons.
Si 3 N 4 ma 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 dla niego jako izolator.
Służy to zastosowaniom mikroelektronicznym i fotonicznym (generowanie i wykrywanie fal świetlnych). Jest stosowany jako cienka warstwa w powłokach optycznych.
Jest to najpowszechniejszy materiał dielektryczny stosowany w kondensatorach do dynamicznej pamięci o dostępie swobodnym lub DRAM (Dynamic Random Access Memory), które są używane w komputerach.
Pamięć DRAM używana w komputerach lub komputerach. Może zawierać azotek krzemu. Victorrocha. Źródło: Wikimedia Commons.
W materiałach ceramicznych
Ceramika z azotku krzemu ma właściwości charakteryzujące się dużą twardością i odpornością na ścieranie, dlatego znajduje zastosowanie w inżynierii trybologicznej, czyli tam, gdzie występuje duże tarcie i zużycie.
Gęsty Si 3 N 4 charakteryzuje się dużą wytrzymałością na elastyczność, dużą odpornością na pękanie, dobrą odpornością na przeciąganie lub przesuwanie, dużą twardością i doskonałą odpornością na erozję.
Kule łożysk kulkowych o różnych rozmiarach wykonane z azotku krzemu. Są używane w maszynach. Lucasbosch. Źródło: Wikimedia Commons.
Uzyskuje się to, gdy azotek krzemu jest przetwarzany przez spiekanie w fazie ciekłej z dodatkiem tlenku glinu i tlenku itru (Al 2 O 3 + Y 2 O 3 ) w temperaturach 1750-1900 ° C.
Spiekanie polega na poddawaniu 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, tj. W bardzo gorących miejscach, w których występuje roztopione aluminium.
Rura do uszczelniania wykonana z ceramiki Si 3 N 4 i stosowana w procesach z odlewem aluminiowym. Hshkrc. 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 Si 3 N 4 jest materiałem biokompatybilnym, co oznacza, że może zastąpić część żywego organizmu bez powodowania uszkodzeń i umożliwiania regeneracji otaczającej go tkanki.
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 zrost pomiędzy kością a implantami lub kawałkami ceramiki Si 3 N 4 następował w krótkim czasie .
Kości ludzkiego ciała można naprawić lub zastąpić częściami azotku krzemu. Autor: Com329329. Źródło: Pixabay.
Azotek krzemu jest nietoksyczny, sprzyja adhezji komórek, prawidłowej proliferacji lub namnażaniu komórek oraz ich różnicowaniu lub wzrostowi według typu komórek.
Jak powstaje azotek krzemu do biomedycyny
W tym zastosowaniu Si 3 N 4 jest wcześniej poddawany procesowi spiekania z dodatkiem tlenku glinu i tlenku itru (Al 2 O 3 + Y 2 O 3 ). Obejmuje to przykładanie ciśnienia i wysokiej temperatury do proszku Si 3 N 4 oraz dodatków.
Ta procedura daje otrzymanemu materiałowi zdolność zapobiegania rozwojowi bakterii, zmniejszając ryzyko infekcji i sprzyjając metabolizmowi komórkowemu organizmu.
W ten sposób otwiera możliwość promowania szybszego gojenia w urządzeniach do naprawy kości.
W różnych zastosowaniach
Jest 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 generują w ten sposób energię) oraz połączeniach żarowych (połączenia w wysokich temperaturach).
Silnik turbinowy lub lotniczy, jego łopatki mogą zawierać azotek krzemu. Autor: Lars_Nissen_Photoart. Źródło: Pixabay.
Jest stosowany w rurkach termopar (czujnikach temperatury), tyglach ze stopionego metalu i wtryskiwaczach paliwa rakietowego.
Bibliografia
- Cotton, F. Albert i Wilkinson, Geoffrey. (1980). Zaawansowana chemia nieorganiczna. Czwarta edycja. John Wiley & Sons.
- Narodowa Biblioteka Medyczna Stanów Zjednoczonych. (2019). Azotek krzemu. Odzyskany z pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
- Dean, JA (redaktor). (1973). Podręcznik chemii Lange'a. Wydanie jedenaste. McGraw-Hill Book Company.
- Zhang, JXJ i Hoshino, K. (2019). Podstawy nano / mikrofabrykacji i efektu skali. W: Czujniki molekularne i nanourządzenia (wydanie drugie). Odzyskany z sciencedirect.com.
- Drouet, C. i in. (2017). Rodzaje ceramiki. Azotek krzemu: wprowadzenie. Postępy w biomateriałach ceramicznych. Odzyskany z sciencedirect.com.
- 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.
- Ho, HL i Iyer, SS (2001). DRAMy. Problemy z pojemnością węzłów. W Encyklopedii materiałów: nauka i technologia. Odzyskany z sciencedirect.com.
- Zhang, C. (2014). Poznanie zużycia i właściwości trybologicznych kompozytów z osnową ceramiczną. In Advances in Ceramic Matrix Composites (wydanie drugie). Odzyskany z sciencedirect.com.