Nitreto de silício (Si3N4): estrutura, propriedades, produção, usos - Ciência - 2023

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o nitreto de silício É um composto inorgânico formado por nitrogênio (N) e silício (Si). Sua fórmula química é Si₃N₄. É um material cinza claro ou cinza claro de excepcional dureza e resistência a altas temperaturas.

Devido às suas propriedades, o nitreto de silício é utilizado em aplicações onde é necessária alta resistência ao desgaste e altas temperaturas. Por exemplo, é usado para fazer ferramentas de corte e rolamentos de esferas.

É utilizado em máquinas que devem resistir a altas forças mecânicas, como as pás das turbinas, que são como grandes cilindros onde as pás devem girar em altas velocidades com a passagem de água ou gases, produzindo energia.

Cerâmicas de nitreto de silício são usadas para fazer peças que devem entrar em contato com metais fundidos. Eles também servem para serem usados como substitutos de ossos humanos ou animais.

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

Estrutura

No nitreto de silício, 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, as ligações são muito fortes e dão ao composto alta estabilidade.

O nitreto de silício tem três estruturas cristalinas: alfa (α-Si₃N₄), beta (β-Si₃N₄) e gama (γ-Si₃N₄) Alfa e beta são os mais comuns. Gamma é obtido em altas pressões e temperaturas e é o mais difícil.

Nomenclatura

Nitreto de silício
Tetranitreto de trissilício

Propriedades

Estado físico

Cinza 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 fluorídrico HF.

Propriedades quimicas

Este é um composto muito estável, devido à forma como os átomos de silício e nitrogênio estão ligados em Si₃N_4.

O nitreto de silício tem excelente resistência ao ácido clorídrico (HCl) e sulfúrico (H₂SW₄) Também é muito resistente à oxidação. É resistente ao alumínio fundido e suas ligas.

Outras propriedades

Possui boa resistência ao choque térmico, alta retenção de dureza em elevadas temperaturas, excelente resistência à erosão e ao desgaste, e excelente resistência à corrosão.

Possui dureza excepcional que permite a aplicação de finas espessuras de material. Ele mantém suas propriedades em altas temperaturas.

Filmes de nitreto de silício são excelentes barreiras para a difusão de água, oxigênio e metais, mesmo em altas temperaturas. São muito duros e possuem uma constante dielétrica elevada, o que significa que conduzem mal a eletricidade, agindo assim como isolantes elétricos.

É por todas essas razões que é um material adequado para aplicações de alta temperatura e alta tensão mecânica.

Obtendo

Pode ser obtido a partir da reação entre amônia (NH₃) e cloreto de silício (SiCl₄), em que a amida de silício Si (NH₂)₄ que quando aquecido forma uma imida e então nitreto de silício Si₃N₄.

A reação pode ser resumida da seguinte forma:

Cloreto de silício + amônia → nitreto de silício + ácido clorídrico

3 SiCl₄ (gás) + 4 NH₃ (gás) → Sim₃N₄ (sólido) + 12 HCl (gás)

Também é fabricado tratando silício em pó compacto (Si) com gás nitrogênio (N₂) a temperaturas de 1200-1400 ° C. No entanto, este material possui microporosidade de 20-30% que limita sua resistência mecânica.

3 Si (sólido) + 2 N₂ (gás) → Sim₃N₄ (sólido)

Portanto, o pó de Si é sinterizado.₃N₄ Para formar uma cerâmica mais densa, isso significa que o pó está sujeito a alta pressão e temperatura.

Formulários

No campo da eletrônica

O nitreto de silício é frequentemente usado como 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.

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

Também é utilizado como material dielétrico, ou seja, é um mau condutor de eletricidade, por isso atua como isolante desta.

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

É o material dielétrico mais comum usado em capacitores para memórias dinâmicas de acesso aleatório ou DRAMs. Memória de acesso aleatório dinâmico), que são aqueles usados em computadores ou computadores.

Em materiais cerâmicos

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

Ele sim₃N₄ denso exibe alta resistência flexível, alta resistência à fratura, boa resistência ao arrasto ou deslizamento, alta dureza e excelente resistência à erosão.

Isto é obtido quando o nitreto de silício é processado por sinterização em fase líquida pela adição de óxido de alumínio e óxido de ítrio (Al₂OU₃ + E₂OU₃) a temperaturas de 1750-1900 ° C.

A sinterização consiste em submeter um pó composto a altas pressões e temperaturas para obter um material mais denso e compacto.

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

A estrutura da cerâmica de nitreto de silício oferece uma grande oportunidade de otimizar propriedades para aplicações específicas de acordo com as demandas dos engenheiros. Mesmo muitas de suas aplicações potenciais ainda não se materializaram.

Como um material biomédico

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 permitindo a regeneração do tecido ao seu redor.

É utilizado na fabricação de componentes para reposição ou reparo de ossos de sustentação e também dispositivos intervertebrais, ou seja, pequenos objetos que permitem o reparo da coluna vertebral.

Em testes realizados em ossos humanos ou animais em um curto espaço de tempo a união entre o osso e os implantes ou peças cerâmicas de Si₃N₄.

O nitreto de silício não é tóxico, promove a adesão celular, a proliferação ou multiplicação normal das células e sua diferenciação ou crescimento por tipo celular.

Como o nitreto de silício para biomedicina é feito

Para esta aplicação, o Si₃N₄ é previamente submetido a um processo de sinterização com aditivos de alumina e óxido de ítrio (Al₂OU₃+ E₂OU₃) Isso consiste em aplicar pressão e alta temperatura ao pó de Si.₃N₄ mais aditivos.

Esse procedimento confere ao material resultante a capacidade de prevenir o crescimento bacteriano, reduzindo o risco de infecção e favorecendo o metabolismo celular do organismo.

Assim, abre-se a possibilidade de promover uma 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 rotacional em máquinas) e ferramentas de corte.

Também é usado em pás de turbinas (máquinas formadas por um tambor com pás que giram ao passar água ou gás e, portanto, geram energia) e conexões incandescentes (juntas a altas temperaturas).

É usado em tubos de termopar (sensores de temperatura), cadinhos de metal fundido e injetores de combustível de foguete.

Referências

Cotton, F. Albert e Wilkinson, Geoffrey. (1980). Química Inorgânica Avançada. Quarta edição. John Wiley & Sons.
NOS. Biblioteca Nacional de Medicina. (2019). Nitreto de silício. Recuperado de pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
Dean, J.A. (Editor). (1973). Manual de Química de Lange. Décima primeira edição. McGraw-Hill Book Company.
Zhang, J.X.J. e Hoshino, K. (2019). Fundamentos de nano / microfabricação e efeito de escala. Em Sensores moleculares e nanodispositivos (segunda edição). Recuperado de sciencedirect.com.
Drouet, C. et al. (2017). Tipos de cerâmicas. Nitreto de silício: uma introdução. In Advances in Ceramic Biomaterials. Recuperado de sciencedirect.com.
Kita, H. et al. (2013). Revisão e visão geral do nitreto de silício e SiAlON, incluindo suas aplicações. In Handbook of Advanced Ceramics (Second Edition). Recuperado de sciencedirect.com.
Ho, H.L. e Iyer, S.S. (2001). DRAMs. Problemas de capacitância do nó. In Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Recuperado de sciencedirect.com.
Zhang, C. (2014). Compreensão do desgaste e propriedades tribológicas de compósitos de matriz cerâmica. In Advances in Ceramic Matrix Composites (Segunda Edição). Recuperado de sciencedirect.com.