SILISYUM NITRÜR (SI3N4): YAPISI, ÖZELLIKLERI, ÜRETIMI, KULLANIMLARI - KIMYA - 2025

Silisyum nitrür azot (N) ve silikon (Si) meydana gelen bir organik bileşiktir. Kimyasal formülü Si ₃ N _4'tür . Olağanüstü sertliğe ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı parlak gri veya açık gri bir malzemedir.

Silisyum nitrür, özelliklerinden dolayı aşınmaya karşı yüksek direnç ve yüksek sıcaklık gerektiren uygulamalarda kullanılır. Örneğin kesici takımlar ve bilyalı rulmanlar yapmak için kullanılır.

Silisyum nitrür küre Si ₃ N ₄ . Lucasbosch. Kaynak: Wikimedia Commons.

Su veya gaz geçişi ile kanatların yüksek hızlarda dönmesi gereken, enerji üreten büyük silindirlere benzeyen türbin kanatları gibi yüksek mekanik kuvvetlere dayanması gereken makina parçalarında kullanılır.

Silisyum nitrür seramikler, erimiş metallerle temas etmesi gereken parçaları yapmak için kullanılır. Ayrıca insan veya hayvan kemiklerinin yerine de kullanılabilirler.

Si ₃ N ₄ elektriksel yalıtım özelliklerine sahiptir yani elektrik iletmez. Bu nedenle mikroelektronik uygulamalarında veya çok küçük elektronik cihazlarda kullanılabilir.

yapı

Silisyum nitrürde her silikon atomu (Si) kovalent olarak 4 nitrojen atomuyla (N) bağlanır. Tam tersi, her nitrojen atomu 3 silikon atomuna bağlıdır.

Bu nedenle bağlar çok güçlüdür ve bileşiğe yüksek stabilite verir.

Silisyum nitrür Si ₃ N _4'ün Lewis yapısı . Grasso Luigi. Kaynak: Wikimedia Commons.

Silisyum nitrür Si ₃ N _4'ün üç boyutlu yapısı . Gri = silikon; mavi = nitrojen. Grasso Luigi. Kaynak: Wikimedia Commons.

Silisyum nitrür üç kristal yapıya sahiptir: alfa (α-Si ₃ N ₄ ), beta (β-Si ₃ N ₄ ) ve gama (γ-Si ₃ N ₄ ). Alfa ve beta en yaygın olanlardır. Gama, yüksek basınç ve sıcaklıklarda elde edilir ve en zor olanıdır.

terminoloji

• Silisyum nitrür
• Trisilikon tetranitrür

Özellikleri

Fiziksel durum

Düz parlak gri.

Moleküler ağırlık

140,28 g / mol

Erime noktası

1900ºC

Yoğunluk

3,44 g / cm ³

Çözünürlük

Suda çözünmez. Hidroflorik asit HF'de çözünür.

Kimyasal özellikler

Bu, silikon ve azot atomları Si bağlandığı şekilde, çok kararlı bir bileşik olup, ₃ N _4.

Silisyum nitrür, hidroklorik (HCl) ve sülfürik (H ₂ SO ₄ ) asitlere karşı mükemmel dirence sahiptir . Ayrıca oksidasyona karşı çok dayanıklıdır. Dökme alüminyum ve alaşımlarına dayanıklıdır.

Diğer özellikler

Isıl şoka karşı iyi bir dirence, yüksek sıcaklıklarda yüksek sertlik korumasına, erozyon ve aşınmaya karşı mükemmel dirence ve korozyona karşı mükemmel dirence sahiptir.

İnce malzeme kalınlıklarının uygulanmasına izin veren olağanüstü sertliğe sahiptir. Yüksek sıcaklıklarda özelliklerini korur.

Silisyum nitrür filmler, yüksek sıcaklıklarda bile su, oksijen ve metallerin difüzyonuna karşı mükemmel engellerdir. Çok serttirler ve yüksek bir dielektrik sabitine sahiptirler, bu da elektriği kötü ilettikleri anlamına gelir, dolayısıyla bir elektrik yalıtkanı görevi görürler.

Tüm bu nedenlerden dolayı yüksek sıcaklık ve yüksek mekanik stres uygulamaları için uygun bir malzemedir.

edinme

Bu amonyak (NH arasındaki reaksiyon başlanarak elde edilebilir ₃ ) ve silisyum klorür (trietilamonyum ₄ Si (NH amit silikon olduğu), ₂ ) _{4 üretilir} formları bir imid ve silisyum nitrür Si ısıtıldı ₃ N ₄ .

Tepki şu şekilde özetlenebilir:

Silikon klorür + Amonyak → Silisyum nitrür + Hidroklorik asit

3 SiCl ₄ (gaz) + 4 NH ₃ (gaz) → Si ₃ N ₄ (katı) + 12 HCl (gaz)

Ayrıca kompakt toz halindeki silisyumun (Si) 1200-1400 ° C sıcaklıklarda nitrojen gazı (N ₂ ) ile işlenmesiyle üretilir . Bununla birlikte, bu malzeme mekanik mukavemetini sınırlayan% 20-30 mikro gözenekliliğe sahiptir.

3 Si (katı) + 2 N ₂ (gaz) → Si ₃ N ₄ (katı)

Bu nedenle Si ₃ N ₄ tozu daha yoğun seramik oluşturmak için sinterlenir , bu da tozun yüksek basınca ve sıcaklığa maruz kalması anlamına gelir.

Uygulamalar

Elektronik alanında

Silikon nitrür genellikle entegre devrelerde ve mikromekanik yapılarda bir pasifleştirme veya koruma katmanı olarak kullanılır.

Entegre devre, bazı işlevleri yerine getirmek için gerekli elektronik bileşenleri içeren bir yapıdır. Ayrıca çip veya mikroçip olarak da adlandırılır.

Mikroçiplerin imalatında silikon nitrür Si ₃ N ₄ kullanılır. Orijinal yükleyici, İngilizce Wikipedia'daki Zephyris'ti. . Kaynak: Wikimedia Commons.

Si ₃ N ₄ , su, oksijen ve sodyum gibi metallerin difüzyonuna karşı mükemmel bir dirence sahiptir, bu nedenle bir yalıtım tabakası veya bariyer görevi görür.

Aynı zamanda bir dielektrik malzeme olarak da kullanılır, bu, zayıf bir elektrik iletkeni olduğu anlamına gelir, bu nedenle bunun için bir yalıtkan görevi görür.

Bu, mikroelektronik ve fotonik uygulamalara (ışık dalgalarının oluşturulması ve tespiti) hizmet eder. Optik kaplamalarda ince bir tabaka olarak kullanılır.

Bilgisayarlarda kullanılanlar olan dinamik rasgele erişim belleği veya DRAM (Dinamik Rasgele Erişim Belleği) için kapasitörlerde kullanılan en yaygın dielektrik malzemedir.

Bilgisayarlarda veya bilgisayarlarda kullanılan DRAM bellek. Silisyum nitrür içerebilir. Victorrocha. Kaynak: Wikimedia Commons.

Seramik malzemelerde

Silisyum nitrür seramik, yüksek sertlik ve aşınmaya karşı direnç özelliklerine sahiptir, bu nedenle tribolojik mühendislik uygulamalarında, yani çok fazla sürtünme ve aşınmanın meydana geldiği yerlerde kullanılır.

Yoğun Si ₃ N ₄ , yüksek esneklik, kırılmaya karşı yüksek direnç, sürüklenmeye veya kaymaya karşı iyi direnç, yüksek sertlik ve erozyona karşı mükemmel direnç sergiler.

Silisyum nitrür ile yapılmış çeşitli boyutlarda bilyalı yataklı küreler. Makinelerde kullanılırlar. Lucasbosch. Kaynak: Wikimedia Commons.

Bu, silikon nitrür, 1750-1900 ° C sıcaklıklarda alüminyum oksit ve itriyum oksit (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ) ilave edilerek sıvı fazda sinterlenerek işlendiğinde elde edilir .

Sinterleme, daha yoğun ve daha kompakt bir malzeme elde etmek için bir bileşik tozun yüksek basınçlara ve sıcaklıklara tabi tutulmasından oluşur.

Silisyum nitrür seramik, örneğin alüminyum eritme ekipmanında, yani erimiş alüminyumun bulunduğu çok sıcak yerlerde kullanılabilir.

Si ₃ N ₄ seramikten yapılmış ve dökme alüminyum ile işlemlerde kullanılan sızdırmazlık için tüp . Hshkrc. Kaynak: Wikimedia Commons.

Silisyum nitrür seramiğin yapısı, mühendislerin taleplerine göre özel uygulamalar için özellikleri optimize etmek için harika bir fırsat sağlar. Potansiyel uygulamalarının çoğu bile henüz gerçekleşmedi.

Biyomedikal malzeme olarak

1989'dan beri Si ₃ N _4'ün biyouyumlu bir malzeme olduğu, yani canlı bir organizmanın bir parçasını hasara neden olmadan ve çevresindeki dokunun yenilenmesine izin vermeden değiştirebileceği anlamına geliyor.

Yük taşıyan kemiklerin ve ayrıca omurlararası cihazların, yani omurganın onarımına izin veren küçük nesnelerin değiştirilmesi veya onarımı için bileşenler üretmek için kullanılır.

İnsan veya hayvan kemikleri üzerinde yapılan testlerde kemik ile implantlar arasındaki birleşme veya Si ₃ N ₄ seramik parçaları kısa sürede meydana geldi .

İnsan vücudunun kemikleri tamir edilebilir veya silikon nitrür parçaları ile değiştirilebilir. Eser sahibi: Com329329. Kaynak: Pixabay.

Silisyum nitrür toksik değildir, hücre yapışmasına, hücrelerin normal çoğalmasına veya çoğalmasına ve hücre tipine göre farklılaşmasına veya büyümesine yardımcı olur.

Biyotıp İçin Silikon Nitrür Nasıl Yapılır

Bu uygulama için, Si ₃ N ₄ daha önce alüminyum ve itriyum oksit katkı maddeleri (Al ile bir sinterleme işlemine tabi tutulmaktadır ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ). Bu, Si ₃ N ₄ tozu artı katkı maddelerine basınç ve yüksek sıcaklık uygulanmasından oluşur .

Bu prosedür, elde edilen materyale bakteriyel büyümeyi önleme, enfeksiyon riskini azaltma ve vücudun hücresel metabolizmasını destekleme yeteneği verir.

Böylelikle kemik onarım cihazlarında daha hızlı iyileşme sağlama olasılığını açar.

Çeşitli uygulamalarda

Rulmanlar (makinelerde dönme hareketini destekleyen parçalar) ve kesici aletler gibi aşınmaya karşı direncin gerekli olduğu yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılır.

Ayrıca türbin kanatlarında (su veya bir gaz geçerken dönen ve dolayısıyla enerji üreten kanatlı bir tamburdan oluşan makineler) ve akkor bağlantılarda (yüksek sıcaklıklardaki bağlantılar) kullanılır.

Türbin veya uçak motoru, kanatları silikon nitrür içerebilir. Yazar: Lars_Nissen_Photoart. Kaynak: Pixabay.

Termokupl tüplerinde (sıcaklık sensörleri), erimiş metal potalarda ve roket yakıtı enjektörlerinde kullanılır.

Referanslar

1. Cotton, F. Albert ve Wilkinson, Geoffrey. (1980). İleri İnorganik Kimya. Dördüncü baskı. John Wiley & Sons.
2. ABD Ulusal Tıp Kütüphanesi. (2019). Silisyum Nitrür. Pubchem.ncbi.nlm.nih.gov'dan kurtarıldı.
3. Dean, JA (Editör). (1973). Lange's Handbook of Chemistry. Onbirinci Baskı. McGraw-Hill Kitap Şirketi.
4. Zhang, JXJ ve Hoshino, K. (2019). Nano / mikrofabrikasyon ve ölçek etkisinin temelleri. Moleküler Sensörler ve Nanodevrilerde (İkinci Baskı). Sciencedirect.com'dan kurtarıldı.
5. Drouet, C. vd. (2017). Seramik türleri. Silisyum nitrür: bir giriş. Seramik Biyomalzemelerdeki Gelişmeler. Sciencedirect.com'dan kurtarıldı.
6. Kita, H. vd. (2013). Silikon Nitrür ve SiAlON'un İncelenmesi ve Genel Bakış, Uygulamaları Dahil. Handbook of Advanced Ceramics (İkinci Baskı). Sciencedirect.com'dan kurtarıldı.
7. Ho, HL ve Iyer, SS (2001). DRAM'lar. Düğüm Kapasitans Sorunları. Encyclopedia of Materials: Science and Technology'de. Sciencedirect.com'dan kurtarıldı.
8. Zhang, C. (2014). Seramik matrisli kompozitlerin aşınma ve tribolojik özelliklerini anlama. Seramik Matris Kompozitlerinde Gelişmeler (İkinci Baskı). Sciencedirect.com'dan kurtarıldı.