ANG SILICON NITRIDE (SI3N4): ISTRAKTURA, MGA KATANGIAN, PAGGAWA, AY GUMAGAMIT - CHEMISTRY - 2025

Ang silikon nitride ay isang tulagay na compound na binubuo ng nitrogen (N) at silikon (Si). Ang formula ng kemikal nito ay Si ₃ N ₄ . Ito ay isang maliwanag na kulay-abo o murang kulay-abo na materyal ng pambihirang katigasan at paglaban sa mataas na temperatura.

Dahil sa mga katangian nito, ang silikon nitride ay ginagamit sa mga aplikasyon kung saan kinakailangan ang mataas na pagtutol upang magsuot at mataas na temperatura. Halimbawa, ginagamit ito upang gumawa ng mga tool sa paggupit at mga bearings ng bola.

Silikon nitride globo Si ₃ N ₄ . Lucasbosch. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Ginagamit ito sa mga piraso ng makinarya na dapat pigilan ang mataas na puwersa ng makina, tulad ng mga blades ng turbine, na tulad ng mga malalaking cylinder kung saan ang mga blades ay dapat paikutin sa mataas na bilis ng pagpasa ng tubig o gas, na gumagawa ng enerhiya.

Ang mga Silamika nitride keramika ay ginagamit upang makagawa ng mga bahagi na dapat makipag-ugnay sa mga tinunaw na metal. Maaari rin silang magamit bilang kapalit ng mga buto ng tao o hayop.

Ang Si ₃ N ₄ ay mayroong mga de-koryenteng insulasyon na katangian, iyon ay, hindi ito nagpapadala ng kuryente. Samakatuwid maaari itong magamit sa mga aplikasyon ng microelectronics o sa napakaliit na elektronikong aparato.

Istraktura

Sa silikon na nitride bawat bawat silikon na atom (Si) ay covalently bonded na may 4 nitrogen atoms (N). Sa kabaligtaran, ang bawat nitrogen atom ay nakakabit sa 3 mga silikon na atom.

Samakatuwid, ang mga bono ay napakalakas at bigyan ang tambalang mataas na katatagan.

Ang istruktura ng Lewis ng silikon nitride Si ₃ N ₄ . Grasso Luigi. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Tatlong-dimensional na istraktura ng silikon nitride Si ₃ N ₄ . Grey = silikon; asul = nitrogen. Grasso Luigi. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Ang Silicon nitride ay may tatlong mala-kristal na istruktura: alpha (α-Si ₃ N ₄ ), beta (β-Si ₃ N ₄ ) at gamma (γ-Si ₃ N ₄ ). Ang Alpha at beta ay ang pinaka-karaniwan. Ang gamma ay nakuha sa mataas na panggigipit at temperatura at ang pinakamahirap.

Pangngalan

• Silicon nitride
• Trisilicon tetranitride

Ari-arian

Pisikal na estado

Solid maliwanag na kulay-abo.

Ang bigat ng molekular

140.28 g / mol

Temperatura ng pagkatunaw

1900 ºC

Density

3.44 g / cm ³

Solubility

Hindi matutunaw sa tubig. Natutunaw sa hydrofluoric acid HF.

Mga katangian ng kemikal

Ito ay isang matatag na tambalan, dahil sa paraan na ang mga atomo ng silikon at nitrogen ay nakagapos sa Si ₃ N _4.

Ang Silicon nitride ay may mahusay na pagtutol sa hydrochloric (HCl) at asupre (H ₂ SO ₄ ) acid . Ito ay masyadong lumalaban sa oksihenasyon. Ito ay lumalaban upang ihagis ang aluminyo at ang mga haluang metal nito.

Iba pang mga pag-aari

Mayroon itong mahusay na pagtutol sa thermal shock, mataas na pagpapanatili ng tigas sa nakataas na temperatura, mahusay na pagtutol sa pagguho at pagsusuot, at mahusay na paglaban sa kaagnasan.

Mayroon itong pambihirang katigasan na nagpapahintulot sa application ng mga manipis na kapal ng materyal. Pinapanatili nito ang mga katangian nito sa mataas na temperatura.

Ang mga pelikulang Silicon nitride ay mahusay na mga hadlang sa pagsasabog ng tubig, oxygen at metal, kahit na sa mataas na temperatura. Mahirap sila at may mataas na dielectric na pare-pareho, nangangahulugan na hindi maganda ang pagsasagawa ng kuryente, kaya kumikilos bilang isang elektrikal na insulator.

Ito ay para sa lahat ng mga kadahilanang ito ay isang angkop na materyal para sa mataas na temperatura at mataas na mga aplikasyon ng stress sa makina.

Pagkuha

Maaari itong makuha simula sa reaksyon sa pagitan ng ammonia (NH ₃ ) at silikon klorido (SiCl ₄ ), kung saan ang silikon na amide Si (NH ₂ ) _{4 ay ginawa,} na kapag pinainit ay bumubuo ng isang imide at pagkatapos ay ang silikon nitride Si ₃ N ₄ .

Ang reaksyon ay maaaring ibubuod tulad ng sumusunod:

Silicon klorido + Ammonia → Silicon nitride + Hydrochloric acid

3 SiCl ₄ (gas) + 4 NH ₃ (gas) → Si ₃ N ₄ (solid) + 12 HCl (gas)

Ginagawa din ito sa pamamagitan ng pagpapagamot ng mga compact na pulbos na silikon (Si) na may gas na nitrogen (N ₂ ) sa temperatura ng 1200-1400 ° C. Gayunpaman, ang materyal na ito ay may 20-30% microporosity na naglilimita sa lakas ng makina.

3 Si (solid) + 2 N ₂ (gas) → Si ₃ N ₄ (solid)

Para sa kadahilanang ito, ang pulbos na Si ₃ N ₄ ay sintered upang mabuo ang mas mataba na ceramic, nangangahulugan ito na ang pulbos ay sumailalim sa mataas na presyon at temperatura.

Aplikasyon

Sa larangan ng electronics

Ang Silicon nitride ay madalas na ginagamit bilang isang passivation o proteksyon layer sa mga integrated circuit at micromekanical na istruktura.

Ang isang integrated circuit ay isang istraktura na naglalaman ng mga elektronikong sangkap na kinakailangan upang maisagawa ang ilang pag-andar. Tinatawag din itong isang chip o microchip.

Ang Silicon nitride Si ₃ N ₄ ay ginagamit sa paggawa ng mga microchips. Ang orihinal na uploader ay si Zephyris sa Ingles na Wikipedia. . Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Ang ₃ N ₄ ay may mahusay na pagtutol sa pagsasabog ng tubig, oxygen at metal tulad ng sodium, na kung saan ito ay nagsisilbing isang insulating layer o hadlang.

Ginagamit din ito bilang isang dielectric na materyal, nangangahulugan ito na ito ay isang hindi magandang konduktor ng koryente, kaya kumikilos ito bilang isang insulator para dito.

Naghahain ito para sa mga microelectronic at photonic application (henerasyon at pagtuklas ng mga light waves). Ginagamit ito bilang isang manipis na layer sa mga optical coatings.

Ito ay ang pinaka-karaniwang dielectric na materyal na ginagamit sa mga capacitor para sa pabago-bagong memorya ng pag-access o DRAM (Dynamic Random Access Memory), na ginagamit sa mga computer.

Ang memorya ng DRAM na ginagamit sa mga computer o computer. Maaaring maglaman ng silikon nitride. Victorrocha. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Sa mga materyales na seramik

Ang Silicon nitride ceramic ay may mga katangian ng mataas na tigas at paglaban na isusuot, kung bakit ginagamit ito sa mga aplikasyon ng engineering sa tribological, iyon ay, ginagamit kung saan nangyayari ang maraming friction at suot.

Ang Dense Si ₃ N _{4 ay} nagpapakita ng mataas na kakayahang umangkop na lakas, mataas na pagtutol sa bali, mahusay na pagtutol sa pag-drag o pag-slide, mataas na katigasan at mahusay na paglaban sa pagguho.

Ang pagdadala ng bola ng spheres ng iba't ibang laki na ginawa gamit ang silikon nitride. Sila ay ginagamit upang magamit sa makinarya. Lucasbosch. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Ito ay nakuha kapag ang silikon nitride ay naproseso sa pamamagitan ng sintering sa likidong yugto ng pagdaragdag ng aluminum oxide at yttrium oxide (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ) sa mga temperatura ng 1750-1900 ° C.

Ang kasalanan ay binubuo ng pagsasailalim ng isang compound na pulbos sa mataas na panggigipit at temperatura upang makakuha ng isang mas makapal at mas siksik na materyal.

Maaaring gamitin ang Silicon nitride ceramic halimbawa sa mga kagamitan sa smelting ng aluminyo, sa napakainit na mga lugar kung saan naroroon ang tinunaw na aluminyo.

Tube para sa sealing na gawa sa Si ₃ N ₄ keramika at ginagamit sa mga proseso na may cast aluminyo. Hshkrc. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Ang istraktura ng silikon nitride ceramic ay nagbibigay ng isang mahusay na pagkakataon upang mai-optimize ang mga katangian para sa mga tiyak na aplikasyon ayon sa hinihingi ng mga inhinyero. Kahit na marami sa mga potensyal na aplikasyon nito ay hindi pa naisasalin.

Bilang isang materyal na biomedical

Mula noong 1989 ay itinatag na ang Si ₃ N ₄ ay isang materyal na biocompatible, na nangangahulugang maaari itong palitan ang isang bahagi ng isang nabubuhay na organismo nang hindi nagiging sanhi ng pinsala at pinapayagan ang pagbabagong-buhay ng tisyu sa paligid nito.

Ginagamit ito upang gumawa ng mga sangkap para sa kapalit o pag-aayos ng mga buto na nagdadala ng pag-load at din ang mga aparato ng intervertebral, iyon ay, mga maliliit na bagay na pinapayagan ang pag-aayos ng gulugod.

Sa mga pagsusuri na isinasagawa sa mga buto ng tao o hayop, ang unyon sa pagitan ng buto at mga implant o Si ₃ N ₄ ceramic piraso ay nangyari sa isang maikling panahon .

Ang mga buto ng katawan ng tao ay maaaring ayusin o mapalitan ng mga bahagi ng silikon nitride. May-akda: Com329329. Pinagmulan: Pixabay.

Ang Silicon nitride ay hindi nakakalason, pinapaboran nito ang pagdikit ng cell, normal na paglaganap o pagdami ng mga cell at ang kanilang pagkakaiba o paglaki ng uri ng cell.

Paano Ginagawa ang Silicon Nitride para sa Biomedicine

Para sa application na ito, ang Si ₃ N ₄ ay nauna nang sumailalim sa isang proseso ng pagsasala na may mga additives ng alumina at yttrium oxide (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ). Ito ay binubuo ng paglalapat ng presyon at mataas na temperatura sa Si ₃ N _{4 na} pulbos kasama ang mga additives.

Ang pamamaraang ito ay nagbibigay sa nagresultang materyal ng kakayahang maiwasan ang paglaki ng bakterya, binabawasan ang panganib ng impeksyon at pabor sa cellular metabolism ng katawan.

Sa gayon, binubuksan nito ang posibilidad ng pagtaguyod ng mas mabilis na paggaling sa mga aparato sa pag-aayos ng buto.

Sa iba't ibang mga aplikasyon

Ginagamit ito sa mga aplikasyon ng mataas na temperatura kung saan kinakailangan ang pagtutol upang magsuot, tulad ng mga bearings (mga bahagi na sumusuporta sa paggalaw ng paggalaw sa mga makina) at mga tool sa paggupit.

Ginagamit din ito sa mga blades ng turbine (machine na nabuo ng isang drum na may mga blades na umiikot kapag pumasa sa tubig o isang gas at sa gayon ay bumubuo ng enerhiya) at mga koneksyon sa maliwanag na maliwanag (magkasanib na temperatura).

Ang turbine o engine ng sasakyang panghimpapawid, ang mga talim nito ay maaaring maglaman ng silikon nitride. May-akda: Lars_Nissen_Photoart. Pinagmulan: Pixabay.

Ginagamit ito sa mga tubo ng thermocouple (sensor ng temperatura), tinunaw na mga crucible ng metal, at mga injector ng rocket.

Mga Sanggunian

1. Cotton, F. Albert at Wilkinson, Geoffrey. (1980). Advanced na Diorganikong Chemistry. Pang-apat na Edisyon. John Wiley at Mga Anak.
2. US National Library of Medicine. (2019). Silicon Nitride. Nabawi mula sa pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Dean, JA (Editor). (1973). Handbook ng Chemistry ni Lange. Labing-isang Edition. McGraw-Hill Book Company.
4. Zhang, JXJ at Hoshino, K. (2019). Mga pundasyon ng nano / microfabrication at scale effects. Sa Molecular Sensors at Nanodevice (Second Edition). Nabawi mula sa sciencedirect.com.
5. Drouet, C. et al. (2017). Mga uri ng keramika. Silicon nitride: isang pagpapakilala. Sa Pagsulong sa Keramikong Biomaterial. Nabawi mula sa sciencedirect.com.
6. Kita, H. et al. (2013). Suriin at Pangkalahatang-ideya ng Silicon Nitride at SiAlON, Kabilang ang kanilang mga Aplikasyon. Sa Handbook ng Advanced Ceramics (Second Edition). Nabawi mula sa sciencedirect.com.
7. Ho, HL at Iyer, SS (2001). Mga DRAM. Mga Isyu sa Kapasidad ng Node. Sa Encyclopedia ng Mga Materyales: Agham at Teknolohiya. Nabawi mula sa sciencedirect.com.
8. Zhang, C. (2014). Ang pag-unawa sa pagsusuot at tribological na katangian ng mga ceramic matrix composite. Sa Mga Pagsulong sa Mga Ceramic Matrix Composites (Second Edition). Nabawi mula sa sciencedirect.com.