- Rakenne
- nimistö
- ominaisuudet
- Fyysinen tila
- Molekyylipaino
- Sulamispiste
- Tiheys
- Liukoisuus
- Kemiallisia ominaisuuksia
- Muut ominaisuudet
- Saada
- Sovellukset
- Elektroniikan alalla
- Keraamisissa materiaaleissa
- Biolääketieteellisenä materiaalina
- Kuinka piinitriidi valmistetaan biolääketieteelle
- Eri sovelluksissa
- Viitteet
Piinitridi on epäorgaaninen yhdiste, joka koostuu typestä (N) ja pii (Si). Sen kemiallinen kaava on Si 3 N 4. Se on kirkkaanharmaa tai vaaleanharmaa materiaali, jolla on poikkeuksellinen kovuus ja kestävyys korkeille lämpötiloille.
Ominaisuuksistaan johtuen piinitridiä käytetään sovelluksissa, joissa vaaditaan korkeaa kulutuskestävyyttä ja korkeita lämpötiloja. Sitä käytetään esimerkiksi leikkaustyökalujen ja kuulalaakereiden valmistukseen.
Piinitridipallo Si 3 N 4. Lucasbosch. Lähde: Wikimedia Commons.
Sitä käytetään konepaloissa, joiden on kestettävä suuria mekaanisia voimia, kuten turbiinien siipiä, jotka ovat kuin suuria sylintereitä, joissa lapojen on pyöritettävä suurilla nopeuksilla vettä tai kaasuja kulkemalla, tuottaen energiaa.
Piinitridikeramiikkaa käytetään valmistamaan osia, joiden on oltava kosketuksissa sulan metallin kanssa. Niitä voidaan käyttää myös korvaamaan ihmis- tai eläinluita.
Si 3 N 4: llä on sähköä eristäviä ominaisuuksia, ts. Se ei lähetä sähköä. Siksi sitä voidaan käyttää mikroelektroniikan sovelluksissa tai hyvin pienissä elektroniikkalaitteissa.
Rakenne
Piinitridissä jokainen piiatomi (Si) on sitoutunut kovalenttisesti 4 typpiatomin (N) kanssa. Käänteisesti jokainen typpiatomi on kiinnittynyt 3 piiatomiin.
Siksi sidokset ovat erittäin vahvoja ja antavat yhdisteelle korkean stabiilisuuden.
Piinitridin Lewis-rakenne Si 3 N 4. Grasso Luigi. Lähde: Wikimedia Commons.
Kolmiulotteinen piinitridin Si 3 N 4 rakenne. Harmaa = pii; sininen = typpi. Grasso Luigi. Lähde: Wikimedia Commons.
Piinitridi on kolme kiderakenteet: alfa (α-Si 3 N 4), beeta (β-Si 3 N 4) ja gamma (γ-Si 3 N 4). Alfa ja beeta ovat yleisimpiä. Gamma saadaan korkeissa paineissa ja lämpötiloissa, ja se on vaikeinta.
nimistö
- Piinitridi
- Trisilicon tetranitride
ominaisuudet
Fyysinen tila
Kiinteä kirkkaanharmaa.
Molekyylipaino
140,28 g / mol
Sulamispiste
1900 ° C
Tiheys
3,44 g / cm 3
Liukoisuus
Liukenematon veteen. Liukenee fluorivetyhappoon HF.
Kemiallisia ominaisuuksia
Tämä on hyvin stabiili yhdiste, johtuu tavasta piin ja typpiatomit ovat sitoutuneet Si 3 N 4.
Piinitridi on erinomainen kestävyys kloorivetyhapon (HCI) ja rikkihapon (H 2 SO 4) happoja. Se on myös hyvin hapettumisenkestävä. Se kestää alumiinivalua ja sen seoksia.
Muut ominaisuudet
Sillä on hyvä lämmönkestävyys, suuri kovuuden säilyvyys korotetuissa lämpötiloissa, erinomainen eroosio- ja kulumiskestävyys sekä erinomainen korroosionkestävyys.
Sillä on poikkeuksellinen kovuus, joka mahdollistaa ohuiden materiaalipaksuuksien levittämisen. Se ylläpitää ominaisuuksiaan korkeissa lämpötiloissa.
Piinitridikalvot ovat erinomaiset esteet veden, hapen ja metallien diffuusiolle jopa korkeissa lämpötiloissa. Ne ovat erittäin kovia ja niillä on korkea dielektrisyysvakio, mikä tarkoittaa, että ne johtavat heikosti sähköä, toimien siten sähköeristeenä.
Kaikista näistä syistä se on sopiva materiaali korkeisiin lämpötiloihin ja suuriin mekaanisiin rasituksiin.
Saada
Se voidaan saada lähtemällä välisestä reaktiosta ammoniakin (NH 3) ja pii kloridi (SiCl 4), jossa pii amidi Si (NH 2) 4 on valmistettu, joka kuumennettaessa muodostaa imidin ja sitten piinitridin Si 3 N 4.
Reaktio voidaan tiivistää seuraavasti:
Piikloridi + ammoniakki → piinitridi + suolahappo
3 SiCl 4 (kaasu) + 4 NH 3 (kaasu) → Si 3 N 4 (kiinteä) + 12 HCI: a (kaasu)
Se valmistaa myös käsittelemällä kompakti jauhettua pii (Si), typpikaasulla (N 2) lämpötiloissa 1200-1400 ° C Tällä materiaalilla on kuitenkin 20-30% mikrohuokoisuutta, joka rajoittaa sen mekaanista lujuutta.
3 Si (kiinteä) + 2 N 2 (kaasu) → Si 3 N 4 (kiinteä)
Tästä syystä, Si 3 N 4 jauhe sintrataan muodostamaan tiheämmän keraaminen, tämä tarkoittaa sitä, että jauhe altistetaan korkean paineen ja lämpötilan.
Sovellukset
Elektroniikan alalla
Piinitridiä käytetään usein passivointi- tai suojakerroksena integroiduissa piireissä ja mikromekaanisissa rakenteissa.
Integroitu piiri on rakenne, joka sisältää jonkin toiminnon suorittamiseen tarvittavat elektroniset komponentit. Sitä kutsutaan myös siruksi tai mikrosiruksi.
Piinitridistä Si 3 N 4 käytetään mikrosirujen valmistamista. Alkuperäinen lähettäjä oli Zephyris englanniksi Wikipediassa.. Lähde: Wikimedia Commons.
Si 3 N 4 on erinomainen vastustuskyky veden diffuusiota, hapen ja metallit, kuten natrium, minkä vuoksi se toimii eristävä kerros tai este.
Sitä käytetään myös dielektrisenä materiaalina, mikä tarkoittaa, että se on huono sähkönjohdin, joten se toimii sen eristeenä.
Tätä käytetään mikroelektronisissa ja fotonisissa sovelluksissa (valoaaltojen tuottaminen ja havaitseminen). Sitä käytetään ohuena kerroksena optisissa päällysteissä.
Se on yleisin dielektrinen materiaali, jota käytetään dynaamisen hajasaantimuistin tai DRAM (Dynamic Random Access Memory) -kondensaattoreissa, joita käytetään tietokoneissa.
Tietokoneissa tai tietokoneissa käytetty DRAM-muisti. Voi sisältää piinitridiä. Victorrocha. Lähde: Wikimedia Commons.
Keraamisissa materiaaleissa
Piinitridikeraamisilla ominaisuuksilla on korkea kovuus ja kulutuskestävyys, joten sitä käytetään tribologisissa tekniikan sovelluksissa, toisin sanoen käyttökohteissa, joissa esiintyy paljon kitkaa ja kulumista.
Tiheä Si 3 N 4 näytteille korkea joustava lujuus, korkea murtolujuus, hyvä kestävyys vetämällä tai liukuva, korkea kovuus ja erinomainen eroosionkestävyys.
Erikokoiset kuulalaakeroidut pallat, valmistettu piinitridillä. Niitä käytetään yleensä koneissa. Lucasbosch. Lähde: Wikimedia Commons.
Tämä saadaan, kun piinitridiä prosessoidaan sintraamalla nestefaasiin lisäämällä alumiinioksidia ja yttriumoksidia (Al 2 O 3 + Y 2 O 3) lämpötiloissa 1750 - 1900 ° C.
Sintraus käsittää yhdistejauheen altistamisen korkeille paineille ja lämpötiloille tiheämmän ja tiiviimmän materiaalin saamiseksi.
Piinitridikeramiikkaa voidaan käyttää esimerkiksi alumiinin sulatuslaitteissa, ts. Erittäin kuumissa paikoissa, joissa on sulaa alumiinia.
Tiivistysputki, joka on valmistettu Si 3 N 4 -keraamisesta ja jota käytetään prosesseissa valetun alumiinin kanssa. Hshkrc. Lähde: Wikimedia Commons.
Piinitridikeraamien rakenne tarjoaa loistavan tilaisuuden optimoida ominaisuudet tiettyihin sovelluksiin insinöörien vaatimusten mukaan. Jopa monet sen mahdollisista sovelluksista eivät ole vielä toteutuneet.
Biolääketieteellisenä materiaalina
Vuodesta 1989 todettiin, että Si 3 N 4 on bioyhteensopivaa materiaalia, joka tarkoittaa sitä, että se voi korvata osan elävää organismia aiheuttamatta vahinkoa ja mahdollistaa palautuminen kudoksen ympärille.
Sitä käytetään komponenttien valmistukseen kantavien luiden korvaamiseksi tai korjaamiseksi ja myös nikamavälineitä, ts. Pieniä esineitä, jotka mahdollistavat selkärangan korjaamisen.
Ihmisen tai eläimen luille suoritetuissa kokeissa luun ja implanttien tai Si 3 N 4 -keraamisten kappaleiden välinen liitos tapahtui lyhyessä ajassa.
Ihmisen kehon luut voidaan korjata tai korvata piinitridin osilla. Kirjoittaja: Com329329. Lähde: Pixabay.
Piinitridi ei ole myrkyllinen, se suosii solujen tarttumista, normaalia solujen lisääntymistä tai lisääntymistä ja niiden erilaistumista tai kasvua solutyypeittäin.
Kuinka piinitriidi valmistetaan biolääketieteelle
Tämän hakemuksen, Si 3 N 4 on aikaisemmin suoritettu sintrausprosessille lisäaineiden kanssa alumiinioksidia ja yttriumoksidia (Al 2 O 3 + Y 2 O 3). Tämä koostuu paineen ja korkean lämpötilan kohdistamisesta Si 3 N 4 -jauheeseen ja lisäaineisiin.
Tämä menetelmä antaa tuloksena olevalle materiaalille kyvyn estää bakteerien kasvua, vähentää infektioriskiä ja suosia kehon solujen aineenvaihduntaa.
Siten se avaa mahdollisuuden edistää nopeampaa paranemista luunkorjauslaitteissa.
Eri sovelluksissa
Sitä käytetään korkean lämpötilan sovelluksissa, joissa vaaditaan kulutuskestävyyttä, kuten laakerit (osat, jotka tukevat koneiden pyörimisliikettä) ja leikkaustyökalut.
Sitä käytetään myös turbiinilavoissa (koneissa, jotka muodostuu rummusta, jonka lavat pyörivät veden tai kaasun kulkiessa ja tuottavat siten energiaa) ja hehkulamppuisissa yhteyksissä (liitokset korkeissa lämpötiloissa).
Turbiini- tai lentokoneiden moottorit, niiden terät voivat sisältää piinitridiä. Kirjoittaja: Lars_Nissen_Photoart. Lähde: Pixabay.
Sitä käytetään lämpöpariputkissa (lämpötila-antureissa), sulametallipuristeissa ja rakettipolttoaineen ruiskeissa.
Viitteet
- Cotton, F. Albert ja Wilkinson, Geoffrey. (1980). Kehittynyt epäorgaaninen kemia. Neljäs painos. John Wiley & Sons.
- Yhdysvaltain lääketieteellinen kirjasto. (2019). Piinitriidi. Palautettu pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
- Dekaani, JA (toimittaja). (1973). Langen kemian käsikirja. Yhdestoista painos. McGraw-Hill -yritys.
- Zhang, JXJ ja Hoshino, K. (2019). Nano / mikrovalmistuksen perusteet ja mittakaavavaikutus. Molekulaarisissa antureissa ja nanolaitteissa (toinen painos). Palautettu osoitteesta sciencedirect.com.
- Drouet, C. et ai. (2017). Keramiikkatyypit. Piinitridi: johdanto. Keraamisten biomateriaalien edistysaskeleena. Palautettu osoitteesta sciencedirect.com.
- Kita, H. et ai. (2013). Katsaus ja yleiskatsaus piinitriidistä ja SiAlONista, mukaan lukien niiden sovellukset. Kehittyneen keramiikan käsikirjassa (toinen painos). Palautettu osoitteesta sciencedirect.com.
- Ho, HL ja Iyer, SS (2001). DRAM-piirejä. Solmun kapasitanssiasiat. Materiaalien tietosanakirja: Tiede ja tekniikka. Palautettu osoitteesta sciencedirect.com.
- Zhang, C. (2014). Keraamisten matriisikomposiittien kulumisen ja tribologisten ominaisuuksien ymmärtäminen. Kehittyneinä keraamisissa matriisikomposiiteissa (toinen painos). Palautettu osoitteesta sciencedirect.com.