SILIZIUMNITRID (SI3N4): STRUKTUR, EIGENSCHAFTEN, HERSTELLUNG, VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Das Siliziumnitrid ist eine anorganische Verbindung, die aus Stickstoff (N) und Silizium (Si) besteht. Seine chemische Formel lautet Si ₃ N ₄ . Es ist ein hellgraues oder hellgraues Material von außergewöhnlicher Härte und Beständigkeit gegen hohe Temperaturen.

Siliziumnitrid wird aufgrund seiner Eigenschaften in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe Verschleißfestigkeit und hohe Temperaturen erforderlich sind. Zum Beispiel werden damit Schneidwerkzeuge und Kugellager hergestellt.

Siliziumnitridkugel Si ₃ N ₄ . Lucasbosch. Quelle: Wikimedia Commons.

Es wird in Maschinen verwendet, die hohen mechanischen Kräften standhalten müssen, wie z. B. Turbinenschaufeln, die wie große Zylinder aussehen, in denen sich die Schaufeln mit hoher Geschwindigkeit unter Durchgang von Wasser oder Gasen drehen müssen, um Energie zu erzeugen.

Mit Siliziumnitridkeramiken werden Teile hergestellt, die mit geschmolzenen Metallen in Kontakt kommen müssen. Sie können auch als Ersatz für menschliche oder tierische Knochen verwendet werden.

Si ₃ N ₄ hat elektrisch isolierende Eigenschaften, dh es überträgt keine Elektrizität. Daher kann es in Mikroelektronikanwendungen oder in sehr kleinen elektronischen Geräten verwendet werden.

Struktur

In Siliziumnitrid ist jedes Siliziumatom (Si) kovalent an die 4 Stickstoffatome (N) gebunden. Umgekehrt ist jedes Stickstoffatom an die 3 Siliciumatome gebunden.

Daher sind die Bindungen sehr stark und verleihen der Verbindung eine hohe Stabilität.

Lewis-Struktur von Siliziumnitrid Si ₃ N ₄ . Grasso Luigi. Quelle: Wikimedia Commons.

Dreidimensionale Struktur von Siliziumnitrid Si ₃ N ₄ . Grau = Silizium; blau = Stickstoff. Grasso Luigi. Quelle: Wikimedia Commons.

Siliziumnitrid hat drei kristalline Strukturen: alpha (α-Si ₃ N ₄ ), beta (β-Si ₃ N ₄ ) und gamma (γ-Si ₃ N ₄ ). Alpha und Beta sind am häufigsten. Gamma wird bei hohen Drücken und Temperaturen erhalten und ist am härtesten.

Nomenklatur

• Siliziumnitrid
• Trisiliciumtetranitrid

Eigenschaften

Körperlicher Status

Festes helles Grau.

Molekulargewicht

140,28 g / mol

Schmelzpunkt

1900 ºC

Dichte

3,44 g / cm ³

Löslichkeit

Nicht in Wasser löslich. Löslich in Flusssäure HF.

Chemische Eigenschaften

Dies ist eine sehr stabile Verbindung, da die Silicium- und Stickstoffatome in Si ₃ N ₄ gebunden sind _.

Siliziumnitrid weist eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Salzsäure (HCl) und Schwefelsäure (H ₂ SO ₄ ) auf . Es ist auch sehr beständig gegen Oxidation. Es ist beständig gegen Aluminiumguss und seine Legierungen.

Andere Eigenschaften

Es hat eine gute Beständigkeit gegen Wärmeschock, eine hohe Härtebeständigkeit bei erhöhten Temperaturen, eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Erosion und Verschleiß und eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Korrosion.

Es hat eine außergewöhnliche Härte, die das Aufbringen dünner Materialdicken ermöglicht. Es behält seine Eigenschaften bei hohen Temperaturen bei.

Siliziumnitridfilme sind ausgezeichnete Barrieren für die Diffusion von Wasser, Sauerstoff und Metallen, selbst bei hohen Temperaturen. Sie sind sehr hart und haben eine hohe Dielektrizitätskonstante, was bedeutet, dass sie Elektrizität schlecht leiten und somit als elektrischer Isolator wirken.

Aus all diesen Gründen ist es ein geeignetes Material für Anwendungen bei hohen Temperaturen und hohen mechanischen Beanspruchungen.

Erhalten

Es kann ausgehend von der Reaktion zwischen Ammoniak (NH ₃ ) und Siliciumchlorid (SiCl ₄ ) erhalten werden, bei der das Siliciumamid Si (NH ₂ ) _{4 erzeugt wird,} das beim Erhitzen ein Imid bildet und dann das Siliciumnitrid Si ₃ N ₄ .

Die Reaktion kann wie folgt zusammengefasst werden:

Siliziumchlorid + Ammoniak → Siliziumnitrid + Salzsäure

3 SiCl ₄ (Gas) + 4 NH ₃ (Gas) → Si ₃ N ₄ (fest) + 12 HCl (Gas)

Es wird auch hergestellt, indem kompaktes pulverförmiges Silizium (Si) mit Stickstoffgas (N ₂ ) bei Temperaturen von 1200 bis 1400 ° C behandelt wird. Dieses Material hat jedoch eine Mikroporosität von 20 bis 30%, was seine mechanische Festigkeit begrenzt.

3 Si (fest) + 2 N ₂ (Gas) → Si ₃ N ₄ (fest)

Aus diesem Grund wird das Si ₃ N ₄ -Pulver gesintert , um eine dichtere Keramik zu bilden. Dies bedeutet, dass das Pulver einem hohen Druck und einer hohen Temperatur ausgesetzt wird.

Anwendungen

Im Bereich der Elektronik

Siliziumnitrid wird häufig als Passivierungs- oder Schutzschicht in integrierten Schaltkreisen und mikromechanischen Strukturen verwendet.

Eine integrierte Schaltung ist eine Struktur, die die elektronischen Komponenten enthält, die zur Ausführung einer Funktion erforderlich sind. Es wird auch als Chip oder Mikrochip bezeichnet.

Siliziumnitrid Si ₃ N ₄ wird zur Herstellung von Mikrochips verwendet. Der ursprüngliche Uploader war Zephyris bei der englischen Wikipedia. . Quelle: Wikimedia Commons.

Si ₃ N ₄ hat eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen die Diffusion von Wasser, Sauerstoff und Metallen wie Natrium, weshalb es als Isolierschicht oder Barriere dient.

Es wird auch als dielektrisches Material verwendet, was bedeutet, dass es ein schlechter elektrischer Leiter ist und daher als Isolator dafür fungiert.

Dies dient für mikroelektronische und photonische Anwendungen (Erzeugung und Detektion von Lichtwellen). Es wird als dünne Schicht in optischen Beschichtungen verwendet.

Es ist das am häufigsten verwendete dielektrische Material, das in Kondensatoren für dynamische Direktzugriffsspeicher oder DRAM (Dynamic Random Access Memory) verwendet wird, die in Computern verwendet werden.

DRAM-Speicher, der in Computern oder Computern verwendet wird. Kann Siliziumnitrid enthalten. Victorrocha. Quelle: Wikimedia Commons.

In keramischen Materialien

Siliziumnitridkeramik hat Eigenschaften von hoher Härte und Verschleißfestigkeit, weshalb sie in tribologischen technischen Anwendungen verwendet wird, dh bei Anwendungen, bei denen viel Reibung und Verschleiß auftreten.

Dichtes Si ₃ N ₄ weist eine hohe flexible Festigkeit, eine hohe Bruchfestigkeit, eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Ziehen oder Gleiten, eine hohe Härte und eine ausgezeichnete Erosionsbeständigkeit auf.

Kugellagerkugeln verschiedener Größen aus Siliziumnitrid. Sie werden früher in Maschinen eingesetzt. Lucasbosch. Quelle: Wikimedia Commons.

Dies wird erhalten, wenn Siliziumnitrid durch Sintern in flüssiger Phase durch Zugabe von Aluminiumoxid und Yttriumoxid (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ) bei Temperaturen von 1750–1900 ° C verarbeitet wird.

Das Sintern besteht darin, ein Verbundpulver hohen Drücken und Temperaturen auszusetzen, um ein dichteres und kompakteres Material zu erhalten.

Siliziumnitridkeramik kann beispielsweise in Aluminiumschmelzanlagen verwendet werden, d. H. An sehr heißen Stellen, an denen geschmolzenes Aluminium vorhanden ist.

Dichtungsrohr aus Si ₃ N ₄ -Keramik, das in Prozessen mit Aluminiumguss verwendet wird. Hshkrc. Quelle: Wikimedia Commons.

Die Struktur der Siliziumnitridkeramik bietet eine hervorragende Möglichkeit, die Eigenschaften für bestimmte Anwendungen entsprechend den Anforderungen der Ingenieure zu optimieren. Sogar viele seiner potenziellen Anwendungen müssen noch realisiert werden.

Als biomedizinisches Material

Seit 1989 wurde festgestellt, dass Si ₃ N ₄ ein biokompatibles Material ist, was bedeutet, dass es einen Teil eines lebenden Organismus ersetzen kann, ohne Schaden zu verursachen und die Regeneration des umgebenden Gewebes zu ermöglichen.

Es wird zur Herstellung von Bauteilen für den Austausch oder die Reparatur von tragenden Knochen sowie von Zwischenwirbelvorrichtungen verwendet, dh kleinen Gegenständen, mit denen die Wirbelsäule repariert werden kann.

Bei Tests an menschlichen oder tierischen Knochen trat die Vereinigung zwischen Knochen und Implantaten oder Si ₃ N ₄ -Keramikstücken in kurzer Zeit auf .

Die Knochen des menschlichen Körpers können repariert oder durch Teile von Siliziumnitrid ersetzt werden. Autor: Com329329. Quelle: Pixabay.

Siliziumnitrid ist nicht toxisch, es begünstigt die Zelladhäsion, die normale Proliferation oder Vermehrung von Zellen und deren Differenzierung oder Wachstum nach Zelltyp.

Wie Siliziumnitrid für die Biomedizin hergestellt wird

Für diese Anwendung wurde Si ₃ N ₄ zuvor einem Sinterprozess mit Additiven aus Aluminiumoxid und Yttriumoxid (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ) unterzogen . Dies besteht darin, Druck und hohe Temperatur auf das Si ₃ N ₄ -Pulver plus die Additive aufzubringen.

Dieses Verfahren gibt dem resultierenden Material die Fähigkeit, das Bakterienwachstum zu verhindern, das Infektionsrisiko zu verringern und den Zellstoffwechsel des Körpers zu begünstigen.

Dies eröffnet die Möglichkeit, eine schnellere Heilung von Knochenreparaturgeräten zu fördern.

In verschiedenen Anwendungen

Es wird bei Hochtemperaturanwendungen eingesetzt, bei denen Verschleißfestigkeit erforderlich ist, z. B. bei Lagern (Teilen, die die Drehbewegung in Maschinen unterstützen) und Schneidwerkzeugen.

Es wird auch in Turbinenschaufeln (Maschinen, die aus einer Trommel mit Schaufeln bestehen, die sich beim Durchleiten von Wasser oder Gas drehen und somit Energie erzeugen) und Glühlampen (Verbindungen bei hohen Temperaturen) verwendet.

Turbinen- oder Flugzeugtriebwerke, deren Schaufeln Siliziumnitrid enthalten können. Autor: Lars_Nissen_Photoart. Quelle: Pixabay.

Es wird in Thermoelementrohren (Temperatursensoren), geschmolzenen Metalltiegeln und Raketentreibstoffinjektoren verwendet.

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