Kiselnitrid

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 16 december 2016; kontroller kräver 10 redigeringar .

kiselnitrid


Allmän
Chem. formel	Si3N4 _ _ _
Fysikaliska egenskaper
stat	grått luktfritt pulver
Molar massa	140,28 g/ mol
Densitet	3,44 g/cm³
Termiska egenskaper
Temperatur
• smältning	1900°C
Entalpi
• utbildning	-750 kJ/mol
Optiska egenskaper
Brytningsindex	(588 nm) 2,02
Strukturera
Kristallstruktur	sexkantig, trigonal, kubisk
Klassificering
Reg. CAS-nummer	12033-89-5
PubChem	3084099
Reg. EINECS-nummer	234-796-8
LEDER	N12[Si]34N5[Si]16N3[Si]25N46
InChI	InChI=1S/N4Si3/c1-5-2-6(1)3(5)7(1,2)4(5)6HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N
ChemSpider	2341213
Data baseras på standardförhållanden (25 °C, 100 kPa) om inget annat anges.
Mediafiler på Wikimedia Commons

Kiselnitrid ( tetranitrogen trikisel ) är en binär oorganisk kemisk förening , som är en förening av kisel och kväve . Den kemiska formeln är . ${\displaystyle {\mathsf {Si_{3}N_{4))))$

Egenskaper

Kiselnitrid har mekaniska och fysikalisk-kemiska egenskaper användbara för många tillämpningar . På grund av kiselnitridbindningen förbättras de operativa egenskaperna hos eldfasta material baserade på kiselkarbid , periklas , forsterit etc. Nitridbundna eldfasta material har hög värme- och slitstyrka , har utmärkt motståndskraft mot sprickbildning, såväl som mot syror , alkalier , aggressiva smältor och metallångor .

Fysisk

Kiselnitridkeramik har hög hållfasthet över ett brett temperaturområde, måttlig värmeledningsförmåga , låg värmeutvidgningskoefficient , måttligt hög elasticitetskoefficient och ovanligt hög brottseghet för en keram. Denna kombination av egenskaper resulterar i utmärkt motståndskraft mot termisk stöt , förmågan att motstå höga belastningar vid höga temperaturer samtidigt som den bibehåller utmärkt slitstyrka . På grund av sin låga specifika vikt är kristallin kiselnitrid väl lämpad för mänskliga benproteser [1] .

Jämfört med kiseldioxid har nitrid i amorft tillstånd en högre koncentration av elektron- och hålfällor (cirka 10 19 cm −3 ), och dessa fällor är relativt djupa (ca 1,5 eV ). Detta gör det möjligt att använda kiselnitrid som en effektiv minnesenhet: elektroner och hål som injiceras i den lokaliseras (fångas) av fällor och kan stanna i dem i cirka 10 år vid en temperatur på 85 °C [1] .

Jämfört med oxid har kiselnitrid en hög dielektricitetskonstant (cirka 7, medan SiO 2 har 3,9), så den används i ett antal enheter som en isolator [1] .

Kemisk

Kiselnitrid interagerar inte med salpetersyra , svavelsyra och saltsyra , reagerar svagt med fosforsyra och intensivt med fluorvätesyra . Nedbryts av smältor av alkalier , oxider och karbonater av alkalimetaller . Interagerar inte med klor upp till 900 °C, med vätesulfid - upp till 1000 °C, med väte - upp till 1200 °C. Med smältor Al , Pb , Sn , Zn , Bi , Cd , Cu - reagerar inte; med övergångsmetaller bildar silicider , med metalloxider över 1200°C- silikater . Oxidation av kiselnitrid i luft börjar över 900 °C.

Bearbetar

Kiselnitridprodukter erhålls genom sintring vid höga temperaturer, varmpressning, pyrolys av kiselföreningar. Högkvalitativa produkter erhålls genom sintring i gasstatiska installationer under högt tryck i närvaro av kväve .

Kiselnitrid är svårt att få fram som ett enda material på grund av att det inte kan värmas över 1850 ° C - detta är långt under smältpunkten ( kisel och kväve dissocierar ). Sålunda är användningen av den konventionella termiska sintringsmetoden ( eng. varmpresssintring ) problematisk. Bindning av pulveriserad kiselnitrid kan uppnås vid lägre temperaturer genom att lägga till ytterligare material, vilket vanligtvis förbättrar sintringsnivån. Ett alternativ är metoden att använda gnistplasmasintring ( Spark Plasma Sintering ) [2] , där uppvärmningen är mycket snabb (i sekunder); där elektriska strömpulser passerar genom det förkomprimerade pulvret. Täta produkter gjorda av kiselnitrid erhölls med denna metod vid temperaturer på 1500–1700°C.

Egenskaper för kristallina modifieringar

Blå atomer - kväve, grått - kisel
trigonal α - Si3N4 _
hexagonal β - Si3N4 _
kubisk y - Si3N4 _

Det finns tre kristallografiska strukturer av kiselnitrid, benämnda α, β och γ. Α- och β-faserna är de vanligaste formerna av kiselnitrid och kan produceras vid normalt tryck. Γ -fasen kan syntetiseras vid höga tryck och temperaturer och vid ett tryck av 35 GPa.

Α och β-Si 3 N 4 har en trigonal syngoni ( Pearson symbol hP28, rymdgrupp P31c, nr 159) respektive hexagonala (hP14, P6 3 , nr 173) strukturer, vilka är konstruerade utifrån utbytesvinklarna för Si3N4 - tetraedrar . _ _ De kan betraktas som strukturer som består av lager av kisel- och kväveatomer i sekvensen ABAB … eller ABBCABCB … i β-Si 3 N 4 respektive α-Si 3 N 4 . AB-skiktet upprepas i både α- och β-fasen, medan CD med AB på glidplanet upprepas endast i α-fasen. Tetraedrar i Si 3 N 4 i β-form är sammankopplade på ett sådant sätt att tunnlarna formas parallellt med enhetscellens axel. På grund av glidplanet, som är från AB till CD, innehåller α-strukturen tomrum istället för tunnlar. Den kubiska y-Si3N4- formen hänvisas ofta till som "c-modifieringen" i litteraturen, analogt med den kubiska modifieringen av bornitrid (c-BN). Γ -formen av kiselnitrid har en spinellstruktur , där varannan kiselatom binder till sex kväveatomer och bildar en oktaeder och en kiselatom binder till fyra kväveatomer och bildar en tetraeder.

En längre staplingssekvens resulterar i en α-fas med högre hårdhet än en β-fas. Emellertid är α-fasen kemiskt instabil jämfört med β-fasen. Vid höga temperaturer, när den värms upp till en flytande fas , omvandlas α-fasen till β-fasen. Således är β-Si 3 N 4 den huvudsakliga formen som används i den keramiska verksamheten.

Egenskaper för α och β-Si 3 N 4 former:

För a- Si3N4 : a= 0,7765 nm, c= 0,5622 nm, rymdgrupp P31c;
För p- Si3N4 : a= 0,7606 nm, c= 0,2909 nm, rymdgrupp P63 / m.
α-Si 3 N 4 omvandlas till β-formen vid temperaturer över 1400 °C.

p-Si3N4 är stabil upp till 1600°C; smälter inte.

Egenskaper för a - Si3N4 :

Sublimerar intensivt med sönderdelning över 1600 °C
Densitet : 3,192 g/cm³,
C° p : 93,01 J/(mol K),
ΔH ° arr : 787,8 kJ/mol,
S° 298 : 66,07 J/(mol K),
Värmeledningsförmåga :
- 62,8 W/(m K) vid 300 K;
- 20,0 W/(m K) vid 1573 K,
Temperaturkoefficient för linjär expansion : 3,4⋅10 −6 K −1 ,
Debye temperatur : 1140 K,
Bandgap : 4,0 eV,
Dielektrisk konstant : 6,3-7,1,
Dielektrisk förlustvinkel tangent : (5,3-9,7)⋅10 −3 ,
Vickers hårdhet (belastning 100 g):
- 45,3 GPa (a-struktur);
- 34,8-35,8 GPa (β-struktur),
Elasticitetsmodul : 298 GPa.

Användning

När du skapar delar

Kiselnitrid används främst i strukturer där hög hållfasthet och hög temperaturbeständighet krävs.

Det används för tillverkning av deglar , pumpelement, rörledningar , gasbrännarmunstycken , katalysatorblockbärare, flygplanshuvudkåpor , radiotransparenta fönster, som ett slipande och isolerande material . Det används till exempel vid skapandet av delar för den termiska vägen för gasturbinmotorer och själva gasturbiner , bilmotordelar, lager , metallbearbetning och används i stor utsträckning vid produktion av keramik, skärverktyg, tillverkning av eldfasta material , etc. Eldfasta material med kiselnitrid har hög värmebeständighet och styrka . De används som en integrerad del av värmeavskärmande ablativa material , eldfasta kiselkarbidmaterial , för värmebeständiga eldfasta material, för metallledare , gjutnings- och doseringsanordningar för icke-järnmetaller.

Applikationer inom elektronik

Kiselnitrid är tillsammans med kiseloxid och kiseloxinitrid ett nyckelmaterial i elektroniska kiselapparater [1] .

Tunna filmer av kiselnitrid används oftast som ett isolerande skikt i kiselelektronik; Kiselnitrid fribäraren är den sonderande delen av ett atomkraftmikroskop .

Kiselnitrid används också ofta som isolator och kemisk barriär vid tillverkning av integrerade kretsar .

Kiselnitrid används ofta i flashminnen som lagringsmedium [1] .

Applikationer i konstruktion

Kan användas som fiber i fiberarmerad betong (liknande basaltfiber ) [3] .

Syntes

Direkt nitrering [4] :

{\displaystyle {\mathsf {3Si+2N_{2}\ {\xrightarrow {1200-1500^{o}C))\ Si_{3}N_{4))))

Termokarbonitrering : _

{\mathsf {3SiO_{2}+6C+2N_{2}\rightarrow Si_{3}N_{4}+6CO\!\uparrow ))

Att passera silan i ammoniak resulterar i kiselnitrid och väte :

{\mathsf {3SiH_{4}+4NH_{3}\rightarrow Si_{3}N_{4}+12H_{2}\!\uparrow ))

Att passera kiseldiklorid-dihydrid i ammoniak ger kiselnitrid, väteklorid och väte:

{\mathsf {3SiCl_{2}H_{2}+4NH_{3}\rightarrow Si_{3}N_{4}+6HCl+6H_{2}\!\uparrow ))

Kemisk ångavsättning ( CVD) [5] :

{\mathsf {3SiH_{4}+4NH_{3}\rightarrow Si_{3}N_{4}+12H_{2}\!\uparrow ))

Genom att lägga till ammoniak till kiselsulfid får vi kiselnitrid, rent väte och svavel vid utgången :

{\mathsf {3SiS_{2}+4NH_{3}\ {\xrightarrow {1200-1450^{o}C}}\ Si_{3}N_{4}+6H_{2}\!\uparrow + 6S}}

Genom att tillsätta ammoniak till kisel (IV) klorid , passerar i en ström av argon , får vi kiselnitrid och ammoniumklorid vid utgången :

{\mathsf {3SiCl_{4}+16NH_{3}\ {\xrightarrow {t>400^{o}C}}\ Si_{3}N_{4}+12NH_{4}Cl}}

Det kan också erhållas genom att göra bara två reaktioner:

${\mathsf {SiCl_{4}+8NH_{3}\ {\xrightarrow {-50^{o}C))\ Si(NH_{2})_{4}+4NH_{4}Cl))$ - reaktionen sker i flytande ammoniak
${\mathsf {3Si(NH_{2})_{4}\ {\xrightarrow {t}}\ Si_{3}N_{4}+8NH_{3}\!\uparrow }}$ – termisk nedbrytning av kiseltetraamid

Materiens historia

Kiselnitrid erhölls först 1857 av Henri St. Clair Deville och Friedrich Wöhler , men dess aktiva industriella produktion började inte förrän på 1950-talet. I naturen hittades Si 3 N 4 på 1990-talet som en liten inneslutning i meteoriter , och fick sitt namn efter nirit efter den amerikanske fysikern Alfred Nier .

Anteckningar

↑ 1 2 3 4 5 V. A. Gritsenko. Elektronisk struktur av kiselnitrid // UFN . - 2012. - T. 182 . - S. 531-541 .
↑ Spark Plasma Sintering - Spark Plasma Sintering | TOKYO BOEKI . Datum för åtkomst: 5 oktober 2010. Arkiverad från originalet den 29 november 2014. (obestämd)
↑ 212. K.A. Saraikina, V.A. Shamanov Dispergerad armering av betong // Bulletin of PSTU. Urbanistik. 2011. Nr 2.
↑ Termen " nitrering " som ursprungligen användes i artikeln används inom organisk kemi för att hänvisa till införandet av en NO 2 -grupp i ett ämne. Att erhålla föreningar av en metall eller icke-metall med kväve (vanligtvis på ytan, men ibland i volym) kallas nitrering , mindre ofta - nitrering (lånad från tyska Nitrierung).
↑ Ordboksuppslagsbok om ny keramik / Shvedkov E. L., Kovensky I. I., Denisenko E. T., Zyrin A. V.; Chefredaktör Trefilov V. I. - Kiev: Naukova Dumka, 1991. - 280 sid.