סיליקון ניטריד (SI3N4): מבנה, תכונות, ייצור, שימושים - כִּימִיָה - 2025

סיליקון ניטריד הוא תרכובת אורגנית המורכבת חנקן (N) ו סיליקון (Si). הנוסחה הכימית שלה היא Si ₃ N ₄ . זהו חומר אפור בהיר או אפור בהיר בעל קשיות ועמידות יוצאת דופן לטמפרטורות גבוהות.

בשל תכונותיו, סיליקון ניטריד משמש ביישומים בהם נדרשת עמידות גבוהה בפני שחיקה וטמפרטורות גבוהות. לדוגמה, הוא משמש לייצור כלי חיתוך ומסבי כדור.

כדור סיליקון ניטריד Si ₃ N ₄ . לוקאסבוש. מקור: Wikimedia Commons.

הוא משמש בחלקי מכונות שחייבים להתנגד לכוחות מכניים גבוהים, כמו להבי טורבינה, הדומים לצילינדרים גדולים שבהם הלהבים חייבים להסתובב במהירויות גבוהות עם מעבר מים או גזים, ויוצרים אנרגיה.

קרמיקה מסיליקון ניטריד משמשת לייצור חלקים שחייבים לבוא במגע עם מתכות מותכות. הם יכולים לשמש גם כתחליף לעצמות אדם או בעלי חיים.

ל- Si ₃ N ₄ יש תכונות בידוד חשמלי, כלומר הוא לא מעביר חשמל. לכן ניתן להשתמש בו ביישומי מיקרו-אלקטרוניקה או במכשירים אלקטרוניים קטנים מאוד.

מִבְנֶה

ב סיליקון ניטריד כל אטום סיליקון (Si) נקשר קוולנטית עם 4 אטומי החנקן (N). להפך, כל אטום חנקן מחובר לשלושת אטומי הסיליקון.

לכן הקשרים חזקים מאוד ומעניקים לתרכובת יציבות גבוהה.

מבנה לואיס של סיליקון ניטריד Si ₃ N ₄ . גראסו לואיג'י. מקור: Wikimedia Commons.

מבנה תלת ממדי של סיליקון ניטריד Si ₃ N ₄ . אפור = סיליקון; כחול = חנקן. גראסו לואיג'י. מקור: Wikimedia Commons.

יש הסיליקון ניטריד שלושה מבנים גבישיים: אלפא (α-Si ₃ N ₄ ), בטא (β-Si ₃ N ₄ ) ו גמא (γ-Si ₃ N ₄ ). אלפא ובטא הם הנפוצים ביותר. גאמה מתקבלת בלחצים וטמפרטורות גבוהות והיא הקשה ביותר.

מִנוּחַ

• סיליקון ניטריד
• טריסיליקון טטראניטריט

נכסים

מצב פיזי

אפור בהיר מוצק.

משקל מולקולרי

140.28 גרם / מול

נקודת המסה

1900 ºC

צְפִיפוּת

3.44 גרם / ס"מ ³

מְסִיסוּת

לא מסיס במים. מסיסים בחומצה הידרפלואורית HF.

תכונות כימיות

זוהי תרכובת יציבה מאוד, בשל האופן שבו אטומי הסיליקון והחנקן קשורים ב- Si ₃ N _4.

לסיליקון ניטריד עמידות מצוינת בפני חומצות הידרוכלוריות (HCl ) וחומצות גופרתיות (H ₂ SO ₄ ). הוא גם עמיד מאוד בפני חמצון. הוא עמיד בפני אלומיניום יצוק וסגסוגותיו.

נכסים אחרים

יש לו עמידות טובה בפני הלם תרמי, שמירה גבוהה של קשיות בטמפרטורות גבוהות, עמידות מצוינת לשחיקה ובלאי ועמידות מצוינת בפני קורוזיה.

יש לו קשיות יוצאת דופן המאפשרת ליישם עובי חומר דקים. הוא שומר על תכונותיו בטמפרטורות גבוהות.

סרטי סיליקון ניטריד הם חסמים מצוינים להתפשטות מים, חמצן ומתכות, אפילו בטמפרטורות גבוהות. הם קשים מאוד ויש להם קבוע דיאלקטרי גבוה, מה שאומר שהם מוליכים חשמל בצורה לא טובה ובכך הם פועלים כמבודד חשמל.

מסיבות אלה הוא חומר מתאים ליישומי לחץ גבוה ומכני גבוה.

להשיג

זה ניתן להשיג החל התגובה בין אמוניה (NH ₃ ) ו כלוריד סיליקון (SiCl ₄ ), שבו סיליקון אמיד Si (NH ₂ ) _{4 מופק,} אשר כאשר מחומם מהווה imide ואז סיליקון ניטריד Si ₃ N ₄ .

ניתן לסכם את התגובה באופן הבא:

סיליקון כלוריד + אמוניה → סיליקון ניטריד + חומצה הידרוכלורית

3 SiCl ₄ (גז) + 4 NH ₃ (גז) → Si ₃ N ₄ (מוצק) + 12 HCl (גז)

הוא מיוצר גם על ידי טיפול בסיליקון אבקתי קומפקטי (Si) בגז חנקן (N ₂ ) בטמפרטורות של 1200-1400 מעלות צלזיוס. עם זאת, לחומר זה יש מיקרופורוזיות של 20-30% המגביל את חוזקו המכני.

3 Si (מוצק) + 2 N ₂ (גז) → Si ₃ N ₄ (מוצק)

מסיבה זו אבקת Si ₃ N ₄ מסוננת ליצירת קרמיקה צפופה יותר, פירוש הדבר שהאבקה נתונה בלחץ וטמפרטורה גבוהים.

יישומים

בתחום האלקטרוניקה

סיליקון ניטריד משמש לרוב כשכבת פסיבציה או הגנה במעגלים משולבים ובמבנים מיקרומכניים.

מעגל משולב הוא מבנה המכיל את הרכיבים האלקטרוניים הנחוצים לביצוע פונקציה מסוימת. זה נקרא גם שבב או מיקרו-צ'יפ.

סיליקון ניטריד Si ₃ N ₄ משמש לייצור מיקרו-שבבים. המעלה המקורי היה צפיריס בוויקיפדיה האנגלית. . מקור: Wikimedia Commons.

ל- Si ₃ N ₄ עמידות מצוינת לפיזור מים, חמצן ומתכות כמו נתרן, וזו הסיבה שהוא משמש כשכבת בידוד או מחסום.

זה משמש גם כחומר דיאלקטרי, המשמעות היא שמוליך חשמל לקוי ולכן הוא משמש כמבודד עבורו.

זה משמש ליישומים מיקרואלקטרוניים ופוטוניים (ייצור וגילוי גלי אור). הוא משמש כשכבה דקה בציפויים אופטיים.

זהו החומר הדיאלקטרי הנפוץ ביותר המשמש בקבלים לזיכרון גישה אקראית דינאמית או DRAM (זיכרון גישה אקראית דינאמית), שהם אלה המשמשים במחשבים.

זיכרון DRAM המשמש במחשבים או מחשבים. עשוי להכיל סיליקון ניטריד. ויקטורוצ'ה. מקור: Wikimedia Commons.

בחומרים קרמיים

לקרמיקה של סיליקון ניטריד יש תכונות של קשיות גבוהה ועמידות בפני שחיקה, ולכן הוא משמש ביישומי הנדסה טריבולוגיים, כלומר, שימושים בהם מתרחשים חיכוכים ובלאי רבים.

Si ₃ N ₄ הצפוף מציג חוזק גמיש גבוה, עמידות בשברים גבוהה, עמידות טובה בפני גרירה או הזזה, קשיות גבוהה ועמידות מצוינת בפני שחיקה.

כדורי נושאות כדורים בגדלים שונים המיוצרים עם סיליקון ניטריד. הם משמשים לשימוש במכונות. לוקאסבוש. מקור: Wikimedia Commons.

זה מתקבל כאשר מעובד סיליקון ניטריד על ידי סינון בשלב הנוזל הוספת תחמוצת אלומיניום ותחמוצת יתרום (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ) בטמפרטורות של 1750-1900 מעלות צלזיוס.

סינטינג מורכב מהכנת אבקת תרכובת לחצים וטמפרטורות גבוהות בכדי להשיג חומר צפוף וקומפקטי יותר.

קרמיקה מסיליקון ניטריד יכולה לשמש למשל בציוד התכת אלומיניום, כלומר במקומות חמים מאוד שבהם יש אלומיניום מותך.

צינור לאיטום עשוי קרמיקה Si ₃ N ₄ ומשמש בתהליכים עם אלומיניום יצוק. Hshkrc. מקור: Wikimedia Commons.

המבנה של קרמיקה סיליקון ניטריד מספק הזדמנות נהדרת לייעל את המאפיינים ליישומים ספציפיים בהתאם לדרישות המהנדסים. אפילו רבים מהיישומים הפוטנציאליים שלה טרם התממשו.

כחומר ביו-רפואי

מאז 1989 נקבע כי Si ₃ N ₄ הוא חומר ביולוגי תואם, מה שאומר שהוא יכול להחליף חלק מאורגניזם חי מבלי לגרום לנזק ולאפשר התחדשות של הרקמה סביבו.

הוא משמש לייצור רכיבים להחלפה או תיקון עצמות נושאות עומס וגם מכשירים בין חולייתיים, כלומר חפצים קטנים המאפשרים תיקון עמוד השדרה.

בבדיקות שנערכו על עצמות אדם או בעלי חיים, האיחוד בין העצם והשתלים או חתיכות קרמיקה Si ₃ N ₄ התרחש תוך זמן קצר .

ניתן לתקן את עצמות גוף האדם או להחליפו בחלקים של סיליקון ניטריד. מחבר: Com329329. מקור: Pixabay.

הסיליקון ניטריד אינו רעיל, הוא מעדיף הידבקות תאים, ריבוי נורמלי או ריבוי של תאים ובידול שלהם או צמיחתם לפי סוג התא.

כיצד נוצר סיליקון ניטריד לביו-רפואה

ליישום זה, Si ₃ N ₄ נתון בעבר בתהליך סינון עם תוספים של אלומינה ותחמוצת יתרום (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ). זה מורכב מהפעלת לחץ וטמפרטורה גבוהה על אבקת Si ₃ N ₄ בתוספת התוספים.

הליך זה מעניק לחומר המתקבל את היכולת למנוע צמיחת חיידקים, להפחית את הסיכון לזיהום ולהעדיף את חילוף החומרים התאי של הגוף.

כך הוא פותח אפשרות לקידום ריפוי מהיר יותר במכשירים לתיקון עצם.

ביישומים שונים

הוא משמש ביישומי טמפרטורה גבוהה בהם נדרשת התנגדות לבלאי, כגון מסבים (חלקים התומכים בתנועה סיבובית במכונות) וכלי חיתוך.

הוא משמש גם בלהבי טורבינה (מכונות הנוצרות על ידי תוף עם להבים המסתובבים כאשר עוברים מים או גז ובכך מייצרים אנרגיה) וחיבורים ליבון (מפרקים בטמפרטורות גבוהות).

מנוע טורבינה או מטוס, להביו עשויים להכיל סיליקון ניטריד. מחבר: Lars_Nissen_Photoart. מקור: Pixabay.

הוא משמש בצינורות צמודים תרמיים (חיישני טמפרטורה), כור היתוך מתכת מותכת ומזרקי דלק טילים.

הפניות

1. כותנה, פ. אלברט ווילקינסון, ג'פרי. (1980). כימיה אורגנית מתקדמת. גרסה רביעית. ג'ון וויילי ובניו.
2. הספרייה הלאומית לרפואה בארה"ב. (2019). סיליקון ניטריד. התאושש מ- pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. דין, ג'יי (עורך). (1973). ספר הכימיה של לנגה. המהדורה האחת-עשרה. חברת הספרים McGraw-Hill.
4. ג'אנג, JXJ והושינו, ק '(2019). היסודות של ייצור ננו / מיקרו ואפקט קנה מידה. בחיישנים מולקולריים וננו-מכשירים (מהדורה שנייה). התאושש מ- sciencedirect.com.
5. Drouet, C. et al. (2017). סוגי קרמיקה. סיליקון ניטריד: הקדמה. בקידום ביו-חומרים קרמיים. התאושש מ- sciencedirect.com.
6. קיטה, ח 'ואח'. (2013). סקירה וסקירה כללית של סיליקון ניטריד ו- SiAlON, כולל היישומים שלהם. בספר יד לקרמיקה מתקדמת (מהדורה שנייה). התאושש מ- sciencedirect.com.
7. הו, HL ואייר, אס אס (2001). דרמות. סוגיות קיבולת בצומת. באנציקלופדיה של חומרים: מדע וטכנולוגיה. התאושש מ- sciencedirect.com.
8. ג'אנג, סי (2014). הבנת ללבוש ותכונותיהם הטבולוגיות של מרוכבים מטריצות קרמיות. בהתקדמות בתרכובות קרמיקה למטריקס (מהדורה שנייה). התאושש מ- sciencedirect.com.