SILIKON NITRIDA (SI3N4): STRUKTUR, SIFAT, PENGELUARAN, PENGGUNAAN - KIMIA - 2026

The silikon nitrida adalah sebatian organik yang terdiri daripada nitrogen (N) dan silikon (Si). Formula kimianya ialah Si ₃ N ₄ . Ia adalah bahan kelabu terang atau kelabu muda dengan kekerasan dan ketahanan yang luar biasa terhadap suhu tinggi.

Oleh kerana sifatnya, silikon nitrida digunakan dalam aplikasi di mana daya tahan tinggi terhadap keausan dan suhu tinggi diperlukan. Sebagai contoh, ia digunakan untuk membuat alat pemotong dan galas bebola.

Sfera nitrida silikon Si ₃ N ₄ . Lucasbosch. Sumber: Wikimedia Commons.

Ia digunakan dalam kepingan mesin yang mesti menahan daya mekanik yang tinggi, seperti bilah turbin, yang seperti silinder besar di mana bilah mesti berputar pada kelajuan tinggi dengan laluan air atau gas, menghasilkan tenaga.

Seramik silikon nitrida digunakan untuk membuat bahagian yang mesti bersentuhan dengan logam lebur. Mereka juga boleh digunakan sebagai pengganti tulang manusia atau haiwan.

Si ₃ N ₄ mempunyai sifat penebat elektrik, iaitu, ia tidak menghantar elektrik. Oleh itu ia boleh digunakan dalam aplikasi mikroelektronik atau dalam alat elektronik yang sangat kecil.

Struktur

Dalam silikon nitrida setiap atom silikon (Si) terikat secara kovalen dengan 4 atom nitrogen (N). Sebaliknya, setiap atom nitrogen dilekatkan pada 3 atom silikon.

Oleh itu, ikatan sangat kuat dan memberikan kestabilan yang tinggi kepada kompaun.

Struktur Lewis silikon nitrida Si ₃ N ₄ . Grasso Luigi. Sumber: Wikimedia Commons.

Struktur tiga dimensi silikon nitrida Si ₃ N ₄ . Kelabu = silikon; biru = nitrogen. Grasso Luigi. Sumber: Wikimedia Commons.

Nitrida silikon mempunyai tiga struktur kristal: alpha (α-Si ₃ N ₄ ), beta (β-Si ₃ N ₄ ) dan gamma (γ-Si ₃ N ₄ ). Alpha dan beta adalah yang paling biasa. Gamma diperoleh pada tekanan dan suhu tinggi dan paling sukar.

Tatanama

• Nitrida silikon
• Trisilicon tetranitride

Hartanah

Keadaan fizikal

Kelabu terang padat.

Berat molekul

140.28 g / mol

Takat lebur

1900 ºC

Ketumpatan

3.44 g / cm ³

Keterlarutan

Tidak larut dalam air. Larut dalam asid hidrofluorik HF.

Sifat kimia

Ini adalah sebatian yang sangat stabil, kerana cara atom silikon dan nitrogen terikat dalam Si ₃ N _4.

Silikon nitrida mempunyai ketahanan yang sangat baik terhadap asid hidroklorik (HCl) dan sulfurik (H ₂ SO ₄ ). Ia juga sangat tahan terhadap pengoksidaan. Ia tahan terhadap aluminium tuang dan aloi.

Harta lain

Ia mempunyai ketahanan yang baik terhadap kejutan terma, pengekalan kekerasan yang tinggi pada suhu tinggi, ketahanan yang sangat baik terhadap hakisan dan keausan, dan ketahanan yang sangat baik terhadap kakisan.

Ia mempunyai kekerasan yang luar biasa yang memungkinkan penggunaan bahan ketebalan nipis. Ia mengekalkan sifatnya pada suhu tinggi.

Filem silikon nitrida adalah penghalang yang sangat baik untuk penyebaran air, oksigen dan logam, walaupun pada suhu tinggi. Mereka sangat keras dan mempunyai pemalar dielektrik tinggi, yang bermaksud bahawa mereka mengalirkan elektrik dengan buruk, sehingga bertindak sebagai penebat elektrik.

Atas sebab-sebab ini, ia adalah bahan yang sesuai untuk aplikasi tekanan mekanikal suhu tinggi dan tinggi.

Mendapatkan

Ia boleh diperolehi bermula dari tindak balas antara ammonia (NH ₃ ) dan silikon klorida (SiCl ₄ ), di mana silikon amide Si (NH ₂ ) _{4 dihasilkan,} yang apabila dipanaskan bentuk yang imide dan kemudian nitrida silikon Si ₃ N ₄ .

Reaksinya dapat diringkaskan sebagai berikut:

Silikon klorida + Amonia → Silikon nitrida + Asid hidroklorik

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

Ia juga dihasilkan dengan merawat silikon serbuk padat (Si) dengan gas nitrogen (N ₂ ) pada suhu 1200-1400 ° C. Walau bagaimanapun, bahan ini mempunyai 20-30% mikropori yang mengehadkan kekuatan mekaniknya.

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

Atas sebab ini, serbuk Si ₃ N ₄ disinter untuk membentuk seramik yang lebih padat, ini bermaksud bahawa serbuk tersebut mengalami tekanan dan suhu tinggi.

Permohonan

Dalam bidang elektronik

Nitrida silikon sering digunakan sebagai lapisan pasif atau perlindungan dalam litar bersepadu dan struktur mikomekanik.

Litar bersepadu adalah struktur yang mengandungi komponen elektronik yang diperlukan untuk melaksanakan beberapa fungsi. Ia juga dipanggil chip atau microchip.

Silikon nitrida Si ₃ N ₄ digunakan dalam pembuatan mikrocip. Pengunggah asal adalah Zephyris di Wikipedia Inggeris. . Sumber: Wikimedia Commons.

Si ₃ N ₄ mempunyai ketahanan yang sangat baik terhadap penyebaran air, oksigen dan logam seperti natrium, sebab itulah ia berfungsi sebagai lapisan atau penghalang penebat.

Ia juga digunakan sebagai bahan dielektrik, ini bermaksud konduktor elektrik yang lemah, jadi ia berfungsi sebagai penebat untuknya.

Ini berfungsi untuk aplikasi mikroelektronik dan fotonik (penjanaan dan pengesanan gelombang cahaya). Ia digunakan sebagai lapisan nipis pada lapisan optik.

Ini adalah bahan dielektrik yang paling biasa digunakan dalam kapasitor untuk memori akses rawak dinamik atau DRAM (Dynamic Random Access Memory), yang digunakan dalam komputer.

Memori DRAM yang digunakan di komputer atau komputer. Mungkin mengandungi nitrida silikon. Victorrocha. Sumber: Wikimedia Commons.

Dalam bahan seramik

Seramik silikon nitrida mempunyai sifat kekerasan dan ketahanan yang tinggi untuk dipakai, oleh itu ia digunakan dalam aplikasi kejuruteraan tribologi, iaitu penggunaan di mana berlaku banyak geseran dan keausan.

Dense Si ₃ N ₄ menunjukkan kekuatan fleksibel yang tinggi, ketahanan yang tinggi terhadap patah tulang, ketahanan yang baik untuk menyeret atau meluncur, kekerasan yang tinggi dan ketahanan yang sangat baik terhadap hakisan.

Bola galas bebola dengan pelbagai saiz dibuat dengan silikon nitrida. Mereka digunakan untuk digunakan dalam mesin. Lucasbosch. Sumber: Wikimedia Commons.

Ini diperoleh apabila silikon nitrida diproses dengan pensinteran dalam fasa cecair dengan menambahkan aluminium oksida dan yttrium oksida (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ) pada suhu 1750-1900 ° C.

Sintering terdiri daripada meletakkan serbuk sebatian kepada tekanan dan suhu tinggi untuk mendapatkan bahan yang lebih padat dan padat.

Seramik silikon nitrida dapat digunakan misalnya dalam peralatan peleburan aluminium, iaitu tempat yang sangat panas di mana aluminium cair ada.

Tiub untuk kedap diperbuat daripada seramik Si ₃ N ₄ dan digunakan dalam proses dengan aluminium cor. Hshkrc. Sumber: Wikimedia Commons.

Struktur seramik nitrida silikon memberikan peluang besar untuk mengoptimumkan sifat untuk aplikasi tertentu mengikut permintaan jurutera. Malah banyak aplikasi potensinya belum dapat dilaksanakan.

Sebagai bahan bioperubatan

Sejak tahun 1989 ditetapkan bahawa Si ₃ N ₄ adalah bahan biokompatibel, yang bermaksud bahawa ia dapat mengganti sebahagian organisma hidup tanpa menyebabkan kerosakan dan memungkinkan pertumbuhan semula tisu di sekitarnya.

Ia digunakan untuk membuat komponen untuk penggantian atau pembaikan tulang yang menanggung beban dan juga alat intervertebral, yaitu benda kecil yang memungkinkan untuk memperbaiki tulang belakang.

Dalam ujian yang dilakukan pada tulang manusia atau haiwan, penyatuan antara tulang dan implan atau kepingan seramik Si ₃ N ₄ berlaku dalam masa yang singkat .

Tulang-tulang tubuh manusia boleh diperbaiki atau diganti dengan bahagian silikon nitrida. Pengarang: Com329329. Sumber: Pixabay.

Silikon nitrida tidak beracun, ia menyokong lekatan sel, percambahan normal atau pendaraban sel dan pembezaan atau pertumbuhannya mengikut jenis sel.

Bagaimana Silicon Nitride untuk Biomedicine dibuat

Untuk aplikasi ini, Si ₃ N ₄ sebelum ini menjalani proses pensinteran dengan bahan tambahan alumina dan yttrium oksida (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ). Ini terdiri daripada memberi tekanan dan suhu tinggi pada serbuk Si ₃ N ₄ ditambah bahan tambahannya.

Prosedur ini memberikan bahan yang dihasilkan kemampuan untuk mencegah pertumbuhan bakteria, mengurangi risiko infeksi dan memihak metabolisme sel tubuh.

Oleh itu, ini membuka kemungkinan untuk mempromosikan penyembuhan yang lebih cepat pada alat pembaikan tulang.

Dalam pelbagai aplikasi

Ia digunakan dalam aplikasi suhu tinggi di mana ketahanan terhadap keausan diperlukan, seperti bantalan (bahagian yang menyokong pergerakan putaran pada mesin) dan alat pemotong.

Ia juga digunakan dalam bilah turbin (mesin yang dibentuk oleh drum dengan bilah yang berputar ketika mengalirkan air atau gas dan dengan itu menghasilkan tenaga) dan sambungan pijar (sambungan pada suhu tinggi).

Mesin turbin atau pesawat terbang, bilahnya mungkin mengandungi nitrida silikon. Pengarang: Lars_Nissen_Photoart. Sumber: Pixabay.

Ini digunakan dalam tabung termokopel (sensor suhu), cawan logam cair, dan penyuntik bahan bakar roket.

Rujukan

1. Cotton, F. Albert dan Wilkinson, Geoffrey. (1980). Kimia Anorganik Lanjutan. Edisi Keempat. John Wiley & Anak.
2. Perpustakaan Perubatan Nasional AS. (2019). Nitrida Silikon. Dipulihkan dari pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Dekan, JA (Penyunting). (1973). Buku Panduan Kimia Lange. Edisi Kesebelas. Syarikat Buku McGraw-Hill.
4. Zhang, JXJ dan Hoshino, K. (2019). Asas nano / mikrofabrikasi dan kesan skala. Dalam Sensor Molekul dan Nanodevices (Edisi Kedua). Dipulihkan dari sciencedirect.com.
5. Drouet, C. et al. (2017). Jenis seramik. Nitrida silikon: pengenalan. Kemajuan dalam Biomaterial Seramik. Dipulihkan dari sciencedirect.com.
6. Kita, H. et al. (2013). Tinjauan dan Gambaran Keseluruhan Silicon Nitride dan SiAlON, Termasuk Aplikasi mereka. Dalam Buku Panduan Seramik Lanjutan (Edisi Kedua). Dipulihkan dari sciencedirect.com.
7. Ho, HL dan Iyer, SS (2001). DRAM. Isu Kapasiti Node. Dalam Ensiklopedia Bahan: Sains dan Teknologi. Dipulihkan dari sciencedirect.com.
8. Zhang, C. (2014). Memahami sifat haus dan tribologi komposit matriks seramik. In Advances in Ceramic Matrix Composites (Edisi Kedua). Dipulihkan dari sciencedirect.com.