Il nitruro di silicio È un composto inorganico formato da azoto (N) e silicio (Si). La sua formula chimica è Si3N4. È un materiale grigio chiaro o grigio chiaro di eccezionale durezza e resistenza alle alte temperature.
Per le sue proprietà, il nitruro di silicio viene utilizzato in applicazioni in cui è richiesta un'elevata resistenza all'usura e alle alte temperature. Ad esempio, viene utilizzato per produrre utensili da taglio e cuscinetti a sfera.
Viene utilizzato in pezzi di macchinari che devono resistere a forze meccaniche elevate, come le pale delle turbine, che sono come grandi cilindri dove le pale devono ruotare ad alte velocità con il passaggio di acqua o gas, producendo energia.
Le ceramiche al nitruro di silicio vengono utilizzate per realizzare parti che devono entrare in contatto con metalli fusi. Servono anche per essere usati in sostituzione di ossa umane o animali.
Lui fa3N4 Ha proprietà di isolamento elettrico, cioè non trasmette elettricità. Pertanto può essere utilizzato in applicazioni microelettroniche o in dispositivi elettronici molto piccoli.
Indice articolo
Nel nitruro di silicio ogni atomo di silicio (Si) è legato in modo covalente con i 4 atomi di azoto (N). Viceversa, ogni atomo di azoto è attaccato ai 3 atomi di silicio.
Pertanto, i legami sono molto forti e conferiscono un'elevata stabilità al composto..
Il nitruro di silicio ha tre strutture cristalline: alfa (α-Si3N4), beta (β-Si3N4) e gamma (γ-Si3N4). Alpha e beta sono i più comuni. La gamma si ottiene ad alte pressioni e temperature ed è la più dura.
Solido grigio brillante.
140,28 g / mol
1900 ºC
3,44 g / cm3
Insolubile in acqua. Solubile in acido fluoridrico HF.
Questo è un composto molto stabile, grazie al modo in cui gli atomi di silicio e azoto sono legati in Si3N4.
Il nitruro di silicio ha un'eccellente resistenza al cloridrico (HCl) e al solforico (H.DueSW4). Inoltre è molto resistente all'ossidazione. È resistente alla fusione di alluminio e sue leghe.
Ha una buona resistenza agli shock termici, un'elevata ritenzione della durezza a temperature elevate, un'eccellente resistenza all'erosione e all'usura e un'eccellente resistenza alla corrosione.
Ha una durezza eccezionale che permette l'applicazione di spessori sottili di materiale. Mantiene le sue proprietà alle alte temperature.
I film in nitruro di silicio sono ottime barriere alla diffusione di acqua, ossigeno e metalli, anche ad alte temperature. Sono molto duri e hanno un'elevata costante dielettrica, il che significa che conducono male l'elettricità, agendo così come isolanti elettrici..
È per tutti questi motivi che è un materiale adatto per applicazioni ad alta temperatura e ad alto stress meccanico..
Può essere ottenuto a partire dalla reazione tra ammoniaca (NH3) e cloruro di silicio (SiCl4), in cui silicio ammide Si (NHDue)4 che quando riscaldato forma un'immide e quindi il nitruro di silicio Si3N4.
La reazione può essere riassunta come segue:
Cloruro di silicio + Ammoniaca → Nitruro di silicio + Acido cloridrico
3 SiCl4 (gas) + 4 NH3 (gas) → Sì3N4 (solido) + 12 HCl (gas)
Inoltre è prodotto trattando polvere compatta di silicio (Si) con azoto gassoso (NDue) a temperature di 1200-1400 ° C. Tuttavia, questo materiale ha una microporosità del 20-30% che limita la sua resistenza meccanica..
3 Si (solido) + 2 NDue (gas) → Sì3N4 (solido)
Pertanto, la polvere di Si è sinterizzata.3N4 per formare una ceramica più densa, ciò significa che la polvere è sottoposta ad alta pressione e temperatura.
Il nitruro di silicio viene spesso utilizzato come strato di passivazione o protezione nei circuiti integrati e nelle strutture micromeccaniche..
Un circuito integrato è una struttura che contiene i componenti elettronici necessari per svolgere alcune funzioni. È anche chiamato chip o microchip.
Lui fa3N4 ha un'ottima resistenza alla diffusione di acqua, ossigeno e metalli come il sodio, motivo per cui funge da strato isolante o barriera.
Viene anche usato come materiale dielettrico, questo significa che è un cattivo conduttore di elettricità, quindi funge da isolante di questo.
Questo serve per applicazioni microelettroniche e fotoniche (generazione e rilevamento di onde luminose). Usato come strato sottile nei rivestimenti ottici.
È il materiale dielettrico più comune utilizzato nei condensatori DRAM (Dynamic Random Access Memory). Memoria dinamica ad accesso casuale), che sono quelli utilizzati nei computer o nei computer.
La ceramica al nitruro di silicio ha proprietà di elevata durezza e resistenza all'usura, quindi viene utilizzata in applicazioni di ingegneria tribologica, ovvero utilizzi in cui si verifica molto attrito e usura..
Lui fa3N4 denso mostra un'elevata resistenza flessibile, un'elevata resistenza alla frattura, una buona resistenza al trascinamento o allo scorrimento, un'elevata durezza e un'eccellente resistenza all'erosione.
Ciò si ottiene quando il nitruro di silicio viene lavorato mediante sinterizzazione in fase liquida aggiungendo ossido di alluminio e ossido di ittrio (AlDueO3 + YDueO3) a temperature di 1750-1900 ° C.
La sinterizzazione consiste nel sottoporre una polvere di composto a pressioni e temperature elevate per ottenere un materiale più denso e compatto.
La ceramica al nitruro di silicio può essere utilizzata, ad esempio, nelle apparecchiature per la fusione dell'alluminio, ovvero in luoghi molto caldi in cui è presente alluminio fuso.
La struttura della ceramica al nitruro di silicio offre una grande opportunità per ottimizzare le proprietà per applicazioni specifiche in base alle richieste degli ingegneri. Anche molte delle sue potenziali applicazioni devono ancora concretizzarsi..
Dal 1989 è stato stabilito che la Si3N4 è un materiale biocompatibile, il che significa che può sostituire una parte di un organismo vivente senza causare danni e permettendo la rigenerazione del tessuto circostante.
Viene utilizzato per fabbricare componenti per la sostituzione o la riparazione di ossa portanti e anche dispositivi intervertebrali, cioè piccoli oggetti che consentono di riparare la colonna vertebrale.
Nei test effettuati su ossa umane o animali, in breve tempo, l'unione tra l'osso e gli impianti o pezzi ceramici di Si3N4.
Il nitruro di silicio non è tossico, favorisce l'adesione cellulare, la normale proliferazione o moltiplicazione delle cellule e la loro differenziazione o crescita per tipologia cellulare.
Per questa applicazione il Si3N4 viene preventivamente sottoposto ad un processo di sinterizzazione con additivi di allumina e ossido di ittrio (AlDueO3+YDueO3). Consiste nell'applicare pressione e alta temperatura alla polvere di Si.3N4 più additivi.
Questa procedura conferisce al materiale risultante la capacità di prevenire la crescita batterica, riducendo il rischio di infezione e favorendo il metabolismo cellulare dell'organismo..
Pertanto, apre la possibilità di promuovere una guarigione più rapida nei dispositivi di riparazione ossea..
Utilizzato in applicazioni ad alta temperatura dove è richiesta resistenza all'usura, come cuscinetti (parti che supportano il movimento rotatorio nelle macchine) e utensili da taglio.
Viene utilizzato anche nelle pale delle turbine (macchine formate da un tamburo con pale che ruotano al passaggio dell'acqua o di un gas e quindi generano energia) e nei collegamenti incandescenti (giunti ad alte temperature).
Utilizzato in tubi termocoppia (sensori di temperatura), crogioli di metallo fuso e iniettori di carburante per razzi.
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