- estructura
- Nomenclatura
- propietats
- estat físic
- pes molecular
- Punt de fusió
- densitat
- solubilitat
- propietats químiques
- altres propietats
- obtenció
- usos
- En el camp de l'electrònica
- En materials ceràmics
- Com a material de biomedicina
- Com es fabrica el nitrur de silici per a biomedicina
- En diverses aplicacions
- referències
El nitrur de silici és un compost inorgànic format per nitrogen (N) i silici (Si). La seva fórmula química és Si 3 N 4. Es tracta d'un material gris brillant o gris clar d'excepcional duresa i resistència a altes temperatures.
Per les seves propietats el nitrur de silici és utilitzat en aplicacions on es requereix alta resistència a l'desgast ia altes temperatures. Per exemple, s'empra per fabricar eines tallants i esferes de rodaments.
Esfera de nitrur de silici Si 3 N 4. Lucasbosch. Font: Wikimedia Commons.
S'usa en peces de maquinàries que han de resistir altes forces mecàniques, com les paletes de turbines, que són com grans cilindres on les paletes han de girar a altes velocitats amb el pas d'aigua o gasos, produint energia.
Les ceràmiques de nitrur de silici s'utilitzen per fabricar peces que han d'entrar en contacte amb metalls fosos. També serveixen per a ser utilitzades com a reemplaçament d'ossos humans o d'animals.
El Si 3 N 4 posseeix propietats d'aïllant elèctric, és a dir, no transmet l'electricitat. Per això es pot utilitzar en aplicacions de microelectrònica o en dispositius electrònics molt petits.
estructura
En el nitrur de silici cada àtom de silici (Si) està unit de forma covalent amb els 4 àtoms de nitrogen (N). Viceversa, cada àtom de nitrogen està unit als 3 àtoms de silici.
Per tant les unions són molt forts i li confereix una alta estabilitat a l'compost.
Estructura Lewis de l'nitrur de silici Si 3 N 4. Grasso Luigi. Font: Wikimedia Commons.
Estructura en tres dimensions de l'nitrur de silici Si 3 N 4. Gris = silici; blau = nitrogen. Grasso Luigi. Font: Wikimedia Commons.
El nitrur de silici presenta tres estructures cristal·lines: alfa (α-Si 3 N 4), beta (β-Si 3 N 4) i gamma (γ-Si 3 N 4). La alfa i la beta són les més comunes. La gamma s'obté a altes pressions i temperatures i és la més dura.
Nomenclatura
- Nitrur de silici
- Tetranitruro de trisilicio
propietats
estat físic
Sòlid gris brillant.
pes molecular
140,28 g / mol
Punt de fusió
1900 ºC
densitat
3,44 g / cm 3
solubilitat
Insoluble en aigua. Soluble en àcid fluorhídric HF.
propietats químiques
Aquest és un compost molt estable, a causa de la forma en què estan enllaçats els àtoms de silici i nitrogen en el Si 3 N 4.
El nitrur de silici està molt ben resistència als àcids clorhídric (HCl) i sulfúric (H 2 SO 4). També és molt resistent a l'oxidació. És resistent a l'alumini fos i els seus aliatges.
altres propietats
Té bona resistència a l'xoc tèrmic, alta retenció de duresa a temperatures elevades, excel·lent resistència a l'erosió i el desgast, i excel·lent resistència a la corrosió.
Posseeix una excepcional duresa que permet l'aplicació de gruixos prims de material. Manté les seves propietats a altes temperatures.
Les pel·lícules de nitrur de silici són excel·lents barreres per a la difusió de l'aigua, oxigen i metalls, encara a altes temperatures. Són molt dures i tenen una alta constant dielèctrica, el que significa que condueixen malament l'electricitat, de manera que actuen com un aïllant elèctric.
És per totes aquestes raons que és un material adequat per a aplicacions d'alta temperatura i alt estrès mecànic.
obtenció
Es pot obtenir partint de la reacció entre amoníac (NH 3) i clorur de silici (SiCl 4), en la qual es produeix l'amida de silici Si (NH 2) abril que a l'escalfar-se forma una imida i després el nitrur de silici Si 3 N 4.
La reacció pot resumir-se així:
Clorur de silici + Amoníac → Nitrur de silici + Àcid clorhídric
3 SiCl 4 (gas) + 4 NH 3 (gas) → Si 3 N 4 (sòlid) + 12 HCl (gas)
També es fabrica tractant silici (Si) en pols compacte amb gas nitrogen (N 2) a temperatures de 1200-1400 ° C. No obstant això, aquest material presenta un 20-30% de microporositat que limita la seva força mecànica.
3 Si (sòlid) + 2 N 2 (gas) → Si 3 N 4 (sòlid)
Per això es sinteriza la pols de Si 3 N 4 per formar ceràmica més densa, això significa que la pols se sotmet a una alta pressió i temperatura.
usos
En el camp de l'electrònica
El nitrur de silici sovint es fa servir com una capa de passivació o protecció en circuits integrats i estructures micromecàniques.
Un circuit integrat és una estructura que conté els components electrònics necessaris per a realitzar alguna funció. També se l'anomena xip o microxip.
El nitrur de silici Si 3 N 4 s'empra en la fabricació de microxips. The original uploader was Zephyris at English Wikipedia.. Font: Wikimedia Commons.
El Si 3 N 4 presenta una excel·lent resistència a la difusió d'aigua, oxigen i metalls com el sodi, per la qual cosa serveix com a capa o barrera aïllant.
També s'usa com a material dielèctric, això vol dir que és un mal conductor de l'electricitat, de manera que actua com a aïllant d'aquesta.
Això serveix per a aplicacions microelectròniques i fotòniques (generació i detecció d'ones de llum). S'usa com a capa fina en recobriments òptics.
És el material dielèctric més comú usat en condensadors per a memòries dinàmiques d'accés aleatori o DRAM (sigles de l'anglès Dynamic Random Access Memory), que són les que s'utilitzen en els ordinadors o ordinadors.
Memòria DRAM utilzada en ordinadors o ordinadors. Pot contenir nitrur de silici. Victorrocha. Font: Wikimedia Commons.
En materials ceràmics
La ceràmica de nitrur de silici posseeix propietats d'alta duresa i resistència a l'desgast, per això és utilitzada en aplicacions d'enginyeria tribològica, això és, usos on passa molta fricció i desgast.
El Si 3 N 4 dens presenta una alta força flexible, alta resistència a la fractura, bona resistència a l'arrossegament o lliscament, alta duresa i excel·lent resistència a l'erosió.
Esferes de rodaments de diverses mides fetes amb nitrur de silici. Serveixen per a ser utilitzades en maquinàries. Lucasbosch. Font: Wikimedia Commons.
Això s'obté quan es processa el nitrur de silici mitjançant sinterització en fase líquida afegint òxid d'alumini i òxid d'itri (A l' 2 O 3 + I 2 O 3) a temperatures de 1750-1900 ° C.
La sinterització consisteix a sotmetre a altes pressions i temperatures una pols d'un compost per obtenir un material més dens i compacte.
La ceràmica de nitrur de silici pot emprar per exemple en equips de fosa d'alumini, és a dir, llocs molt calents on hi ha alumini fos.
Tub per a segellat fet amb ceràmica de Si 3 N 4 i utilitzat en processos amb alumini fos. Hshkrc. Font: Wikimedia Commons.
L'estructura de la ceràmica de nitrur de silici proporciona una gran oportunitat d'optimitzar propietats per a aplicacions específiques segons les demandes dels enginyers. Fins i tot, moltes de les seves aplicacions potencials encara no s'han materialitzat.
Com a material de biomedicina
Des de 1989 es va establir que el Si 3 N 4 és un material biocompatible, el que significa que pot reemplaçar una part d'un organisme viu sense causar danys i permetent la regeneració de el teixit al seu voltant.
Serveix per fabricar components per a substitució o reparació d'ossos que suporten càrrega i també dispositius intervertebrals, és a dir, petits objectes que permeten reparar la columna vertebral.
En proves realitzades en ossos humans o d'animals en poc temps va passar la unió entre l'os i els implants o peces de ceràmica de Si 3 N 4.
Els ossos de el cos humà poden reparar-se o substituir-se amb peces de nitrur de silici. Autor: Com329329. Font: Pixabay.
El nitrur de silici és no tòxic, afavoreix l'adhesió cel·lular, la proliferació o multiplicació normal de les cèl·lules i la seva diferenciació o creixement per tipus de cèl·lula.
Com es fabrica el nitrur de silici per a biomedicina
Per a aquesta aplicació el Si 3 N 4 se sotmet prèviament a un procés de sinterització amb additius d'alúmina i òxid d'itri (A l' 2 O 3 + I 2 O 3). Això consisteix a aplicar pressió i alta temperatura a la pols de Si 3 N 4 més els additius.
Aquest procediment fa que el material resultant tingui la capacitat de prevenir el creixement bacterià reduint el risc d'infecció i afavorint el metabolisme cel·lular de l'organisme.
Per això obre la possibilitat de promoure una curació més ràpida en dispositius de reparació d'ossos.
En diverses aplicacions
S'utilitza en aplicacions d'alta temperatura on es requereix resistència a l'desgast, com coixinets (peces que suporten moviment giratori en les màquines) i eines de tall.
També s'usa en paletes de turbines (màquines formades per un tambor amb paletes que giren a el passar aigua o un gas i així generen energia) i connexions incandescents (unions a altes temperatures).
Turbina o motor d'avió, les seves paletes poden contenir nitrur de silici. Autor: Lars_Nissen_Photoart. Font: Pixabay.
S'utilitza en tubs de termocuplas (sensors de temperatura), gresols de metall fos i injectors de combustible en coets.
referències
- Cotton, F. Albert and Wilkinson, Geoffrey. (1980). Advanced Inorganic Chemistry. Fourth Edition. John Wiley & Sons.
- US National Library of Medicine. (2019). Silicon Nitride. Recuperat de pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
- Dean, JA (Editor). (1973). Lange s Handbook of Chemistry. Eleventh Edition. McGraw-Hill Book Company.
- Zhang, JXJ and Hoshino, K. (2019). Fundamentals of nano / microfabrication and scale effect. In Molecular Sensors and Nanodevices (Second Edition). Recuperat de sciencedirect.com.
- Drouet, C. et al. (2017). Types of ceramics. Silicon nitride: an introduction. In Advances in Ceramic Biomaterials. Recuperat de sciencedirect.com.
- Kita, H. et al. (2013). Review and Overview of Silicon Nitride and Sialon, Including their Applications. In Handbook of Advanced Ceramics (Second Edition). Recuperat de sciencedirect.com.
- Ho, HL and Iyer, SS (2001). DRAMs. Node Capacitance Issues. In Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Recuperat de sciencedirect.com.
- Zhang, C. (2014). Understanding the wear and tribological properties of ceramic matrix composites. In Advances in Ceramic Matrix Composites (Second Edition). Recuperat de sciencedirect.com.