Structure en silicium nitruro (Si3N4), propriétés, obtenant, utilisation

Il silicium nitruro C'est un composé inorganique formé par l'azote (N) et le silicium (oui). Sa formule chimique est si₃N₄. C'est un matériau gris vif ou gris d'une dureté et d'une résistance exceptionnelles à des températures élevées.

En raison de ses propriétés, le silicium nituro est utilisé dans des applications où une résistance élevée à l'usure et des températures élevées sont nécessaires. Par exemple, il est utilisé pour fabriquer des outils de coupe et des sphères qui portent.

Sphère de nitrure de silicium oui₃N₄. Lucasbosch [cc by-sa (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0)]. Source: Wikimedia Commons.

Il est utilisé dans des pièces de machines qui doivent résister aux forces mécaniques élevées, telles que les palettes de turbine, qui sont comme de grands cylindres où les palettes doivent tourner à grande vitesse sur l'eau ou les gaz, produisant de l'énergie.

Les céramiques de silicium nituro sont utilisées pour créer des pièces qui doivent entrer en contact avec des métaux fondus. Ils servent également à être utilisés en remplacement des os ou des animaux humains.

Lui oui₃N₄ Il a des propriétés d'isolateur électrique, c'est-à-dire qu'elle ne transmet pas l'électricité. Par conséquent, il peut être utilisé dans des applications microélectroniques ou de très petits dispositifs électroniques.

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Structure

Dans le nitruro en silicium, chaque atome de silicium (Si) est lié de manière covalente aux 4 atomes d'azote (N). Vice versa, chaque atome d'azote est lié aux 3 atomes de silicium.

Par conséquent, les syndicats sont très forts et donne une stabilité élevée au composé.

Structure Lewis du nitrure de silicium oui₃N₄. Grasso Luigi [CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 4.0)]. Source: Wikimedia Commons.Structure en trois dimensions de nitrure de silicium si₃N₄. Gris = silicium; Bleu = azote. Grasso Luigi [CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 4.0)]. Source: Wikimedia Commons.

Le nitruro en silicium a trois structures cristallines: alpha (α-yes₃N₄), bêta (β-si₃N₄) et gamma (γ-yes₃N₄). Alfa et Beta sont les plus courants. Le gamma est obtenu à haute pression et température et est le plus difficile.

Nomenclature

• Silicium nitruro
• Tétranitrure de trisilicio

Propriétés

État physique

Solide gris vif.

Poids moléculaire

140,28 g / mol

Point de fusion

1900 ºC

Densité

3,44 g / cm³

Solubilité

Insoluble dans l'eau. Soluble dans l'acide fluorhorhorique HF.

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Propriétés chimiques

Il s'agit d'un composé très stable, en raison de la manière dont les atomes de silicium et d'azote sont liés au SI₃N_4.

Le silicium nituro a une excellente résistance aux acides chlorhydrique (HCl) et sulfurique (h₂Swin₄). Il est également très résistant à l'oxydation. Il résiste à l'aluminium fondu et à ses alliages.

Autres propriétés

Il a une bonne résistance aux chocs thermiques, une rétention élevée de dureté à des températures élevées, une excellente résistance à l'érosion et à l'usure, et une excellente résistance à la corrosion.

Il a une dureté exceptionnelle qui permet l'application de fines épaisseurs de matériau. Maintient ses propriétés à des températures élevées.

Les films en nitruro en silicium sont d'excellentes barrières pour la diffusion de l'eau, de l'oxygène et des métaux, même à des températures élevées. Ils sont très durs et ont une constante diélectrique élevée, ce qui signifie que l'électricité mène mal, donc ils agissent comme un isolant électrique.

C'est pour toutes ces raisons qu'il s'agit d'un matériau adéquat pour les applications de contrainte à haute température et de contrainte mécanique élevée.

Obtention

Il peut être obtenu à partir de la réaction entre l'ammoniac (NH₃) et le chlorure de silicium (sicl₄), dans lequel le silicium amide est produit (NH₂)₄ que lorsqu'il est chauffé forme un imida et le silicium nitruro si₃N₄.

La réaction peut être résumé comme suit:

Silicon + chlorure d'ammoniac → Nitrure de silicium + acide chlorhydrique

3 sicl₄ (Gas) + 4 NH₃ (gaz) → Oui₃N₄ (solide) + 12 HCl (gaz)

Il est également fabriqué en traitant de la poudre compacte de silicium (oui) avec de l'azote gazeux (n₂) À 1200-1400 ° C. Cependant, ce matériau a 20 à 30% de la microporosité qui limite sa force mécanique.

3 Oui (solide) + 2 n₂ (gaz) → Oui₃N₄ (solide)

C'est pourquoi la poussière de lui-même₃N₄ Pour former des céramiques plus denses, cela signifie que la poussière subit une haute pression et une température.

Applications

Dans le domaine de l'électronique

Le nitruro en silicium est souvent utilisé comme couche de passivation ou de protection dans les circuits intégrés et les structures micromécaniques.

Un circuit intégré est une structure qui contient les composants électroniques nécessaires pour remplir une fonction. Il est également appelé puce ou microchip.

Peut vous servir: métauxNitruro en silicium si₃N₄ Il est utilisé dans la fabrication de micropuces. Le téléchargeur d'origine était Zephyris à l'anglais Wikipedia. [CC by-s (http: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0 /]]. Source: Wikimedia Commons.

Lui oui₃N₄ Il a une excellente résistance à la diffusion de l'eau, de l'oxygène et des métaux tels que le sodium, il sert donc de couche ou de barrière isolante.

Il est également utilisé comme matériau diélectrique, cela signifie qu'il s'agit d'un mauvais conducteur d'électricité, donc il agit comme un isolant de ce.

Cela sert à des applications microélectroniques et photoniques (génération et détection des ondes légères). Il est utilisé comme une couche fine en revêtements optiques.

Il s'agit du matériau diélectrique le plus courant utilisé dans les condensateurs pour les boue dynamiques d'accès aléatoire (acronyme pour l'anglais Mémoire d'accès aléatoire dynamique), qui sont ceux utilisés sur les ordinateurs ou les ordinateurs.

Mémoire de dram utilisée sur les ordinateurs ou les ordinateurs. Il peut contenir du silicium nitruro. Victorrocha [cc par (https: // CreativeCommons.Org / licences / par / 3.0)]. Source: Wikimedia Commons.

En matériaux en céramique

La céramique au nitrure de silicium possède des propriétés de résistance à une dureté élevée et à l'usure, il est donc utilisé dans les applications de génie tribologique, c'est-à-dire utilise où beaucoup de friction et d'usure se produisent.

Lui oui₃N₄ Dense a une force flexible élevée, une forte résistance à la fracture, une bonne traînée ou une résistance coulissante, une dureté élevée et une excellente résistance à l'érosion.

Portant des sphères de différentes tailles faites avec du silicium nitruro. Ils servent à être utilisés dans les machines. Lucasbosch [cc by-sa (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0)]. Source: Wikimedia Commons.

Ceci est obtenu lorsque le silicium nitruro est traité par des moyens₂SOIT₃ + ET₂SOIT₃) à des températures de 1750-1900 ° C.

Le frittage consiste à soumettre une poussière d'un composé à des pressions et des températures élevées pour obtenir un matériau dense et compact.

La céramique au nitrure de silicium peut être utilisée par exemple dans des équipements de coulée en aluminium, c'est-à-dire des endroits très chauds où il y a de l'aluminium fondu.

Tube d'étanchéité à base de céramique de lui-même₃N₄ et utilisé dans les processus en aluminium fondu. Hshkrc [cc by-s (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 4.0)]. Source: Wikimedia Commons.

La structure de la céramique Silicon Nituro offre une excellente occasion d'optimiser les propriétés pour des applications spécifiques en fonction des demandes des ingénieurs. Même bon nombre de ses applications potentielles ne se sont pas encore matérialisées.

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Comme matériel biomédecine

Depuis 1989, il a été établi que le SI₃N₄ Il s'agit d'un matériau biocompatible, ce qui signifie qu'il peut remplacer une partie d'un organisme vivant sans causer de dommages et permettre la régénération du tissu qui l'entoure.

Il sert à fabriquer des composants pour le remplacement ou la réparation d'os qui prennent en charge la charge et également les dispositifs intervertébraux, c'est-à-dire de petits objets qui permettent la réparation de la colonne.

Dans les tests effectués chez l'homme ou les animaux en peu de temps, l'union entre l'os et les implants ou les pièces en céramique₃N₄.

Les os du corps humain peuvent être remplacés ou remplacés par des pièces de nitrure de silicium. Auteur: com329329. Source: Pixabay.

Le nitruro en silicium est non toxique, favorise l'adhésion cellulaire, la prolifération ou la multiplication normale des cellules et leur différenciation ou croissance cellulaire.

Comment le nitruro en silicium est fabriqué pour la biomédecine

Pour cette application le Si₃N₄ Il est précédemment soumis à un processus de frittage avec des additifs en alumine et de l'oxyde d'ititrum (à₂SOIT₃+ET₂SOIT₃). Cela consiste à appliquer une pression et une température élevée à la poussière de lui-même₃N₄ plus les additifs.

Cette procédure fait que le matériau résultant a la capacité de prévenir la croissance bactérienne en réduisant le risque d'infection et en faveur du métabolisme cellulaire du corps.

Par conséquent, il ouvre la possibilité de promouvoir une guérison plus rapide dans les dispositifs de réparation osseuse.

Dans plusieurs applications

Il est utilisé dans des applications à haute température où une résistance à l'usure est nécessaire, comme les roulements (pièces qui soutiennent le mouvement rotatif dans les machines) et les outils de coupe.

Il est également utilisé dans les palettes de turbine (machines formées par un tambour avec des palettes qui tournent de l'eau ou du gaz et génèrent ainsi de l'énergie) et des connexions à incandescence (articulations à températures élevées).

Turbine ou moteur d'avion, vos palettes peuvent contenir du silicium nitruro. Auteur: Lars_nissen_photoart. Source: Pixabay.

Il est utilisé dans des tubes thermocuplés (capteurs de température), des crosols métalliques fondues et des injecteurs de carburant de fusée.

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