Estrutura de Silício Nitruro (Si3N4), Propriedades, obtenção, Usos

Ele Silício nituro É um composto inorgânico formado por nitrogênio (n) e silício (sim). Sua fórmula química é se₃N₄. É um material cinza ou cinza brilhante de dureza excepcional e resistência a altas temperaturas.

Devido às suas propriedades, o Silicon Nituro é usado em aplicações em que é necessária alta resistência ao desgaste e altas temperaturas. Por exemplo, é usado para fabricar ferramentas de corte e esferas de rolamento.

Esfera de nitreto de silício sim₃N₄. Lucasbosch [CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

É usado em peças de máquinas que devem resistir às altas forças mecânicas, como paletas de turbinas, que são como cilindros grandes, onde as paletas devem girar em alta velocidade sobre água ou gases, produzindo energia.

A cerâmica de Silicon Nituro é usada para fazer peças que devem entrar em contato com metais fundidos. Eles também servem para serem usados ​​como um substituto para ossos ou animais humanos.

Ele sim₃N₄ Possui propriedades de isolador elétrico, ou seja, não transmite eletricidade. Portanto, pode ser usado em aplicações microeletrônicas ou dispositivos eletrônicos muito pequenos.

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Estrutura

Em Silicon Nitruro, cada átomo de silício (Si) está covalentemente ligado aos 4 átomos de nitrogênio (n). Vice -versa, cada átomo de nitrogênio está ligado aos 3 átomos de silício.

Portanto, os sindicatos são muito fortes e dão alta estabilidade ao composto.

Estrutura de Lewis do nitreto de silício sim₃N₄. Grasso Luigi [CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/4.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.Estrutura em três dimensões do nitreto de silício se₃N₄. Cinza = silício; Azul = nitrogênio. Grasso Luigi [CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/4.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

Silício Nitruro tem três estruturas cristalinas: alfa (α-yes₃N₄), beta (β-si₃N₄) e gama (γ-yes₃N₄). Alfa e Beta são os mais comuns. Gamma é obtido em altas pressões e temperaturas e é o mais difícil.

Nomenclatura

• Silício nituro
• Trisilicio tetranitreto

Propriedades

Estado físico

Cinzento brilhante sólido.

Peso molecular

140,28 g/mol

Ponto de fusão

1900 ºC

Densidade

3,44 g/cm³

Solubilidade

Insolúvel em água. Solúvel em ácido fluorhorrérmico hf.

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Propriedades quimicas

Este é um composto muito estável, devido à maneira como os átomos de silício e nitrogênio estão ligados ao SI₃N_4.

Silício Nituro tem excelente resistência aos ácidos clorídrico (HCl) e sulfúrico (H₂SW₄). Também é muito resistente à oxidação. É resistente ao alumínio fundido e suas ligas.

Outras propriedades

Tem boa resistência ao choque térmico, alta retenção de dureza a altas temperaturas, excelente resistência à erosão e desgaste e excelente resistência à corrosão.

Tem uma dureza excepcional que permite a aplicação de espessuras finas do material. Mantém suas propriedades a altas temperaturas.

Os filmes de nitruro de silício são excelentes barreiras para a difusão de água, oxigênio e metais, mesmo em altas temperaturas. Eles são muito difíceis e têm uma constante dielétrica alta, o que significa que a eletricidade leva mal, então eles agem como um isolador elétrico.

É por todos esses motivos que é um material adequado para aplicações de alta temperatura e alta tensão mecânica.

Obtenção

Pode ser obtido da reação entre amônia (NH₃) e cloreto de silício (SICL₄), em que a amida de silício é produzida (NH₂)₄ que quando aquecido forma uma imida e depois o nitruro de silício se₃N₄.

A reação pode ser resumida da seguinte forma:

Silício + cloreto de amônia → nitreto de silício + ácido clorídrico

3 sicl₄ (GAS) + 4 NH₃ (gás) → Sim₃N₄ (sólido) + 12 HCl (gás)

Também é fabricado em tratamento de silício (sim) em pó compacto com gás nitrogênio (n₂) A temperaturas 1200-1400 ° C. No entanto, este material tem 20 a 30% da microporosidade que limita sua força mecânica.

3 sim (sólido) + 2 n₂ (gás) → Sim₃N₄ (sólido)

É por isso que o pó de si está sinterizando₃N₄ Para formar cerâmica mais densa, isso significa que a poeira sofre alta pressão e temperatura.

Formulários

No campo da eletrônica

O nitruro de silício é frequentemente usado como uma camada de passivação ou proteção em circuitos integrados e estruturas micromecânicas.

Um circuito integrado é uma estrutura que contém os componentes eletrônicos necessários para executar alguma função. Também é chamado de chip ou microchip.

Pode atendê -lo: metaisSilício nituro se₃N₄ É usado na fabricação de microchips. O uploader original era Zephyris na Wikipedia inglesa. [CC BY-S (http: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0/]]. Fonte: Wikimedia Commons.

Ele sim₃N₄ Tem excelente resistência à difusão de água, oxigênio e metais como o sódio, por isso serve como uma camada ou barreira isolante.

Também é usado como material dielétrico, isso significa que é um mau condutor de eletricidade, por isso atua como um isolador disso.

Isso serve para aplicações microeletrônicas e fotônicas (geração e detecção de ondas leves). É usado como uma camada fina em revestimentos ópticos.

É o material dielétrico mais comum usado em capacitores para enlames dinâmicos de acesso aleatório (sigla para inglês Memória de acesso aleatório dinâmico), que são aqueles usados ​​em computadores ou computadores.

DRAM Memory usada em computadores ou computadores. Pode conter o nituro de silício. Victorrocha [CC por (https: // CreativeCommons.Org/licenças/por/3.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

Em materiais de cerâmica

A cerâmica de nitreto de silício possui propriedades de alta dureza e resistência ao desgaste, por isso é usado em aplicações de engenharia tribológica, ou seja, usa onde ocorre muito atrito e desgaste.

Ele sim₃N₄ Denso tem uma força flexível alta, alta resistência à fratura, boa resistência ao arrasto ou deslizamento, alta dureza e excelente resistência à erosão.

Esferas de rolamento de vários tamanhos feitos com nitruro de silício. Eles servem para serem usados ​​em máquinas. Lucasbosch [CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

Isso é obtido quando o Silicon Nitruro é processado por meio₂QUALQUER₃ + E₂QUALQUER₃) em temperaturas de 1750-1900 ° C.

A sinterização consiste em sujeitar a poeira de um composto a altas pressões e temperaturas para obter um material denso e compacto.

A cerâmica de nitreto de silício pode ser usada, por exemplo, em equipamentos de fundição de alumínio, ou seja, lugares muito quentes onde há alumínio fundido.

Tubo de vedação feito com cerâmica de si mesma₃N₄ e usado em processos de alumínio fundido. Hshkrc [cc by-s (https: // criativeCommons.Org/licenças/BY-SA/4.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

A estrutura da cerâmica de Silicon Nituro oferece uma ótima oportunidade para otimizar as propriedades para aplicações específicas de acordo com as demandas dos engenheiros. Mesmo muitas de suas aplicações em potencial ainda não se materializaram.

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Como material de biomedicina

Desde 1989, foi estabelecido que o SI₃N₄ É um material biocompatível, o que significa que pode substituir uma parte de um organismo vivo sem causar danos e permitir a regeneração do tecido ao seu redor.

Serve para fabricar componentes para substituição ou reparo de ossos que suportam carga e também dispositivos intervertebrais, ou seja, pequenos objetos que permitem a reparação da coluna vertebral.

Nos testes realizados em humanos ou animais em pouco tempo, a união entre o osso e os implantes ou pedaços de cerâmica se₃N₄.

Os ossos do corpo humano podem ser substituídos ou substituídos por pedaços de nitreto de silício. Autor: com329329. Fonte: Pixabay.

O nitruro de silício é não -tóxico, favorece a adesão celular, a proliferação ou multiplicação normal das células e sua diferenciação ou crescimento celular.

Como o Silicon Nitruro é fabricado para biomedicina

Para este aplicativo, o SI₃N₄ É enviado anteriormente a um processo de sinterização com aditivos de alumina e óxido de ititrium (para₂QUALQUER₃+E₂QUALQUER₃). Isso consiste em aplicar pressão e alta temperatura à poeira de si mesma₃N₄ além de aditivos.

Este procedimento faz com que o material resultante tenha a capacidade de impedir o crescimento bacteriano, reduzindo o risco de infecção e favorecer o metabolismo celular do corpo.

Portanto, abre a possibilidade de promover a cicatrização mais rápida em dispositivos de reparo ósseo.

Em várias aplicações

É usado em aplicações de alta temperatura onde a resistência ao desgaste é necessária, como rolamentos (peças que suportam o movimento rotativo em máquinas) e ferramentas de corte.

Também é usado em paletas de turbinas (máquinas formadas por um tambor com paletas que giram água ou gás e, portanto, geram energia) e conexões incandescentes (juntas de alta temperatura).

Turbina ou motor plano, suas paletas podem conter nitruro de silício. Autor: Lars_Nissen_photoart. Fonte: Pixabay.

É usado em tubos termocuplados (sensores de temperatura), cruzamentos de metal fundido e injetores de combustível de foguetes.

Referências

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