- Struttura
- Nomenclatura
- Proprietà
- Stato fisico
- Peso molecolare
- Punto di fusione
- Densità
- solubilità
- Proprietà chimiche
- Altre proprietà
- Ottenere
- applicazioni
- Nel campo dell'elettronica
- In materiali ceramici
- Come materiale biomedico
- Come viene prodotto il nitruro di silicio per la biomedicina
- In varie applicazioni
- Riferimenti
Il nitruro di silicio è un composto inorganico costituito da azoto (N) e silicio (Si). La sua formula chimica è Si 3 N 4 . 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 realizzare utensili da taglio e cuscinetti a sfera.
Sfera in nitruro di silicio Si 3 N 4 . Lucasbosch. Fonte: Wikimedia Commons.
Viene utilizzato in pezzi di macchinari che devono resistere a forze meccaniche elevate, come le pale delle turbine, che sono come dei 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 venire a contatto con metalli fusi. Possono anche essere usati in sostituzione di ossa umane o animali.
Si 3 N 4 ha proprietà di isolamento elettrico, cioè non trasmette elettricità. Pertanto può essere utilizzato in applicazioni microelettroniche o in dispositivi elettronici molto piccoli.
Struttura
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 al composto un'elevata stabilità.
Struttura di Lewis del nitruro di silicio Si 3 N 4 . Grasso Luigi. Fonte: Wikimedia Commons.
Struttura tridimensionale del nitruro di silicio Si 3 N 4 . Grigio = silicone; blu = azoto. Grasso Luigi. Fonte: Wikimedia Commons.
Il nitruro di silicio ha tre strutture cristalline: alfa (α-Si 3 N 4 ), beta (β-Si 3 N 4 ) e gamma (γ-Si 3 N 4 ). Alpha e beta sono i più comuni. La gamma si ottiene ad alte pressioni e temperature ed è la più dura.
Nomenclatura
- Nitruro di silicio
- Tetranitruro di trisilicio
Proprietà
Stato fisico
Solido grigio brillante.
Peso molecolare
140,28 g / mol
Punto di fusione
1900 ºC
Densità
3,44 g / cm 3
solubilità
Insolubile in acqua. Solubile in acido fluoridrico HF.
Proprietà chimiche
Questo è un composto molto stabile, grazie al modo in cui gli atomi di silicio e azoto sono legati in Si 3 N 4.
Il nitruro di silicio ha un'eccellente resistenza agli acidi cloridrico (HCl) e solforico (H 2 SO 4 ). Inoltre è molto resistente all'ossidazione. È resistente alla fusione di alluminio e sue leghe.
Altre proprietà
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 consente l'applicazione di spessori sottili di materiale. Mantiene le sue proprietà alle alte temperature.
I film di 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.
Ottenere
Può essere ottenuto a partire dalla reazione tra ammoniaca (NH 3 ) e cloruro di silicio (SiCl 4 ), in cui si produce l'ammide di silicio Si (NH 2 ) 4, che riscaldata forma un'immide e quindi il nitruro di silicio Si 3 N 4 .
La reazione può essere riassunta come segue:
Cloruro di silicio + Ammoniaca → Nitruro di silicio + Acido cloridrico
3 SiCl 4 (gas) + 4 NH 3 (gas) → Si 3 N 4 (solido) + 12 HCl (gas)
Inoltre è prodotto trattando silicio compatto in polvere (Si) con azoto gassoso (N 2 ) 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 N 2 (gas) → Si 3 N 4 (solido)
Per questo motivo, la polvere di Si 3 N 4 viene sinterizzata per formare una ceramica più densa, questo significa che la polvere è sottoposta ad alta pressione e temperatura.
applicazioni
Nel campo dell'elettronica
Il nitruro di silicio è 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.
Il nitruro di silicio Si 3 N 4 è utilizzato nella produzione di microchip. L'autore del caricamento originale era Zephyris su Wikipedia in inglese. . Fonte: Wikimedia Commons.
Si 3 N 4 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 per esso.
Questo serve per applicazioni microelettroniche e fotoniche (generazione e rilevamento di onde luminose). Viene utilizzato come strato sottile nei rivestimenti ottici.
È il materiale dielettrico più comune utilizzato nei condensatori per la memoria dinamica ad accesso casuale o DRAM (Dynamic Random Access Memory), che sono quelli utilizzati nei computer.
Memoria DRAM utilizzata in computer o computer. Può contenere nitruro di silicio. Victorrocha. Fonte: Wikimedia Commons.
In materiali ceramici
La ceramica al nitruro di silicio ha proprietà di elevata durezza e resistenza all'usura, quindi viene utilizzata in applicazioni di ingegneria tribologica, ovvero impieghi dove si verifica molto attrito e usura.
Il Si 3 N 4 denso presenta un'elevata resistenza alla flessibilità, un'elevata resistenza alla frattura, una buona resistenza al trascinamento o allo scorrimento, un'elevata durezza ed un'eccellente resistenza all'erosione.
Sfere a sfere di varie dimensioni realizzate con nitruro di silicio. Sono utilizzati per essere utilizzati nei macchinari. Lucasbosch. Fonte: Wikimedia Commons.
Ciò si ottiene quando il nitruro di silicio viene lavorato per sinterizzazione in fase liquida aggiungendo ossido di alluminio e ossido di ittrio (Al 2 O 3 + Y 2 O 3 ) 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.
Tubo per sigillatura realizzato in ceramica Si 3 N 4 e utilizzato nei processi con fusione di alluminio. Hshkrc. Fonte: Wikimedia Commons.
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.
Come materiale biomedico
Dal 1989 è stato stabilito che Si 3 N 4 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 l'unione tra l'osso e gli impianti o pezzi ceramici Si 3 N 4 è avvenuta in breve tempo .
Le ossa del corpo umano possono essere riparate o sostituite con parti di nitruro di silicio. Autore: Com329329. Fonte: Pixabay.
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.
Come viene prodotto il nitruro di silicio per la biomedicina
Per questa applicazione, Si 3 N 4 viene preventivamente sottoposto ad un processo di sinterizzazione con additivi di allumina e ossido di ittrio (Al 2 O 3 + Y 2 O 3 ). Consiste nell'applicare pressione e alta temperatura alla polvere di Si 3 N 4 più gli additivi.
Questa procedura conferisce al materiale risultante la capacità di prevenire la crescita batterica, riducendo il rischio di infezione e promuovendo il metabolismo cellulare del corpo.
Pertanto, apre la possibilità di promuovere una guarigione più rapida nei dispositivi di riparazione ossea.
In varie applicazioni
Viene 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).
Turbina o motore di aereo, le sue pale possono contenere nitruro di silicio. Autore: Lars_Nissen_Photoart. Fonte: Pixabay.
Viene utilizzato in tubi a termocoppia (sensori di temperatura), crogioli di metallo fuso e iniettori di carburante per razzi.
Riferimenti
- Cotton, F. Albert e Wilkinson, Geoffrey. (1980). Chimica inorganica avanzata. Quarta edizione. John Wiley & Sons.
- Biblioteca nazionale di medicina degli Stati Uniti. (2019). Nitruro di silicio. Recupero da pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
- Dean, JA (a cura di). (1973). Manuale di chimica di Lange. Undicesima edizione. McGraw-Hill Book Company.
- Zhang, JXJ e Hoshino, K. (2019). Fondamenti di nano / microfabbricazione ed effetto scala. In Molecular Sensors and Nanodevices (Second Edition). Recupero da sciencedirect.com.
- Drouet, C. et al. (2017). Tipi di ceramica. Nitruro di silicio: un'introduzione. Progressi nei biomateriali ceramici. Recupero da sciencedirect.com.
- Kita, H. et al. (2013). Revisione e panoramica del nitruro di silicio e del SiAlON, comprese le loro applicazioni. In Handbook of Advanced Ceramics (Seconda edizione). Recupero da sciencedirect.com.
- Ho, HL e Iyer, SS (2001). DRAM. Problemi di capacità del nodo. In Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Recupero da sciencedirect.com.
- Zhang, C. (2014). Comprensione dell'usura e delle proprietà tribologiche dei compositi a matrice ceramica. In Advances in Ceramic Matrix Composites (Seconda edizione). Recupero da sciencedirect.com.