Siliziumnitrid ist ein außergewöhnliches Keramikmaterial mit besonderen Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten in modernen Industrien. Die wichtigsten Anwendungen finden sich in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrttechnik, der Lagerherstellung, der Elektronik, der Biomedizin und der Zahnimplantate.
Si3N4 hat viele Geräte und Maschinen effizienter und langlebiger gemacht als zuvor.
In diesem Artikel entdecken wir die Verwendungsmöglichkeiten von Siliziumnitrid in modernen Industrien. Lassen Sie uns eintauchen.
Was ist Siliziumnitrid?
Siliziumnitrid (Si3N4) ist ein chemisch inertes, thermodynamisch stabiles, festes, weißes, nichtmetallisches Keramikmaterial. Es entsteht durch die chemische Reaktion von Siliziumpulver in einer Stickstoffatmosphäre bei etwa 1400 Grad Celsius. Die chemische Reaktion, die in Siliziumnitrid abläuft, ist:
3Si+ 2N2= Si3N4
Verschiedene Arten von Materialien auf Siliziumnitridbasis werden für unterschiedliche Zwecke verwendet. Jedes von ihnen verfügt über unterschiedliche Eigenschaften und Leistungen. Im Folgenden sind einige der am häufigsten verwendeten Formen von Si3N4-Materialien aufgeführt:
-
RBSN (reaktionsgebundenes Siliziumnitrid)
-
HPSN (heißgepresstes Siliziumnitrid)
-
SRBSN (gesintertes reaktionsgebundenes Siliziumnitrid)
-
SSN (gesintertes Siliziumnitrid)
-
PSSN (partialdruckgesintertes Siliziumnitrid)
-
und HIPSN (heißisostatisch gepresstes Siliziumnitrid).
Wichtige Eigenschaften von Siliziumnitrid (Si3N4): Das Si3N4-Keramikelement verfügt über viele bemerkenswerte Eigenschaften, die es für verschiedene Hochleistungsanwendungen im technischen und industriellen Bereich geeignet machen. Die wichtigsten Eigenschaften von Siliziumnitrid sind:
-
Geringe Dichte von ca. 3,21 g/cm3
-
Hohe mechanische Festigkeit
-
Hohe Bruchzähigkeit von ca. 7 MPam1/2
-
Hohe Temperaturwechselbeständigkeit nahe 569 K
-
Ausgezeichnete thermische Stabilität und Verschleißfestigkeit
-
Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient
-
Überlegene Temperaturschockbeständigkeit
-
Gute Oxidationsbeständigkeit
-
Und überlegene Bruchzähigkeit.
Wichtigste Anwendungen von Siliziumnitrid in modernen Industrien:
-
Motorenbau: Siliziumnitrid wird häufig bei der Herstellung verschiedener Hubkolbenmotoren, Ottomotoren, Automotoren und Dieselmotoren verwendet.
Auch verschiedene Motorteile werden daraus hergestellt, wie etwa Glühkerzen für Dieselmotoren, Vorbrennkammern (oder Wirbelkammern), Turbolader, Kipphebelauflagen für Ottomotoren und Abgasregelventile.
-
Lagerindustrie: Das vollständig verdichtete Siliziumnitridmaterial ist verschleißfest, glatt, hochsteif und hochtemperaturbeständig.
Daher wird HPSN (heißgepresstes Siliziumnitrid) häufig bei der Lagerproduktion verwendet. Diese dichten Si3N4s steigern die Betriebsleistung von schmiermittelfreien Kugellagern und Rollenlagern.
Das aus Si3N4-Keramik gefertigte Lager wird weder durch elektrische Felder noch durch magnetische Felder oder Korrosion beeinträchtigt. Diese Lager sind langlebig, hochkorrosionsbeständig und schnell wie Stahllager.
Die meisten Lager aus Si3N4 sind Hybridkugellager mit Stahllaufringen und Keramikkugeln. Diese Hybridlager werden für Vakuumpumpen, Dentalbohrer und Werkzeugmaschinenspindeln verwendet.
-
Luft- und Raumfahrtindustrie: Konventionelle Materialien wie Verbundwerkstoffe und Metalle werden seit langem im Flugzeugbau verwendet. Diese Materialien sind den extremen Temperaturen, dem Druck und der Korrosion von Hyperschallflugzeugen nicht standhalten.
Aus diesem Grund benötigt die fortschrittliche Luft- und Raumfahrtindustrie robustere, leichtere, hochfeste, korrosionsbeständige und temperaturbeständige Materialien wie keramisches Siliziumnitrid.
Es ist ein wesentlicher Bestandteil der Herstellung von Motoren, Triebwerken, Raketenkomponenten, Kraftstoffsystemen, HF-Fenstern, Kugellagern und Radarkuppeln von Flugzeugen.
-
Herstellung elektronischer Geräte: Siliziumnitrid findet breite Anwendung in der Elektronik- und Mikroelektronikindustrie. Es wird hauptsächlich als chemische Barriere und Isolator in verschiedenen elektronischen Geräten verwendet.
Si3N4 ist ein wesentliches Element integrierter Schaltkreise (ICs) und der Schutzverpackung hochempfindlicher elektronischer Geräte.
Siliziumnitrid fungiert als passive Schicht und Diffusionsbarriere in mikroelektronischen Geräten. Es wird als elektrischer Isolator in den Kondensatoren des Analogchips eingesetzt.
Siliziumnitrid verfügt über eine breitbandige Natur. Daher findet es Anwendung in der optischen Signalverarbeitung, der biochemischen und biomedizinischen Optik, der Biophotonik, der Datenkommunikation und der Telekommunikation.
-
Schweißindustrie: Siliziumnitrid findet in der Widerstandsschweißindustrie vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Es dient der Herstellung von Schweißwalzen und ersetzt herkömmlichen Stahl. Seine extreme Härte, Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit machen es zu einem unverzichtbaren Werkstoff für diese Branche.
-
Biomedizinische Industrie: Siliziumnitrid ist aufgrund seiner Biokompatibilität, antibakteriellen Eigenschaften, chemischen Sterilisation, Strahlendurchlässigkeit, seines geringen Gewichts, seiner Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie seiner mechanischen Festigkeit ein ideales Material für die biomedizinische Verwendung.
Aufgrund seiner Biokompatibilität hat Siliziumnitrid beim Einsatz im menschlichen Körper keine Nebenwirkungen. Seine Resistenz gegen Biofilmbildung und Bakterienwachstum verhindert Infektionen rund um die Implantate.
Die Osteokonduktivität von Siliziumnitrid bildet den Knochen. Daher wird es in Zahnimplantaten, orthopädischen Implantaten, Wundversorgungs- und Frakturfixierungsvorrichtungen verwendet.
Siliziumnitrid wird als Ersatz für Wirbelsäule und Gelenke verwendet. Seine außergewöhnliche mechanische Festigkeit ermöglicht es, hohen Belastungen und schweren Lasten standzuhalten.
-
Biosensor: Die überlegenen mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Siliziumnitrid haben es zu einem hervorragenden Material für die Biosensorindustrie gemacht.
Sein Einsatz in der Biosensortechnologie hat viele Probleme im Zusammenhang mit der Empfindlichkeit, Stabilität und Größe optischer Biosensoren gelöst und kann die Wirksamkeit der In-vivo- und In-vitro-Diagnostik weiter verbessern.
-
Zahnärztliche Anwendungen: Die American Ceramic Society bezeichnet Siliziumnitrid aufgrund seiner antibakteriellen Eigenschaften als „Killerkeramik“. Es unterdrückt die Bildung von Porphyromonas gingivalis-Bakterien in der Mundhöhle. Diese Bakterien sind die Ursache für Zahnfleischerkrankungen.
Die chemische Stabilität der Zahnelemente aus Siliziumnitrid verhindert deren Zersetzung in der Mundumgebung durch Speichel, Säuren und andere Chemikalien. Sie reagieren nicht und korrodieren nicht wie andere Materialien, was eine lange Lebensdauer gewährleistet.
Si3N4 zerstört die biologische Struktur von Bakterien und zerstört die Moleküle, DNA und Proteine der Zellen.
Es wird zur Herstellung von Zahnkronen, Zahnimplantaten und Wurzelkanalverstärkungen verwendet. Die aus Siliziumnitrid gefertigten Zahnkronen, Brücken und Veneers sehen aus wie echte Zähne. Diese aus Si3N4 gefertigten Zahnimplantate vertragen wiederholte Reibung mit anderen Zähnen und mechanische Belastungen.
-
Mögliche zukünftige Verwendungen: Keramisches Silizium bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen Branchen. Die wahrscheinlichsten Anwendungsbereiche sind fortschrittliche Luft- und Raumfahrtanwendungen, Kernenergie, Gesundheitswesen, Biomedizin, Hochleistungselektronik, Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energien und 3D-Druck.
Umfangreichere Forschung und Entwicklung im Bereich Siliziumnitridmaterialien werden diesen Einsatz bald möglich machen.
FAQs
F1: Wozu dient Siliziumnitrid bei der CMOS-Herstellung?
Siliziumnitrid wird als dielektrische Schicht, Oxidationsbarriere, Passivierungsschicht, Ätzstoppschicht, Spannungstechnik, Abstandshalter und Hartmaske bei der CMOS-Fertigung (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) verwendet.
F2: Was ist die Austrittsarbeit von Siliziumnitrid?
Die Austrittsarbeit eines Materials ist die minimale Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron von der Materialoberfläche zu entfernen. Die Austrittsarbeit von Siliziumnitrid ist nicht festgelegt und variiert zwischen 4,2 eV und 5,2 eV. Sie variiert je nach Herstellungsumgebung und materialspezifischen Eigenschaften.
F3: Wofür wird Nitrid verwendet?
Nitridmaterialien werden aufgrund ihrer chemischen Beständigkeit, hohen Härte und thermischen Stabilität häufig verwendet.
Diese Nitride werden in der Elektronik, bei Halbleitern, Schleifmitteln, Schneidwerkzeugen, Schutzbeschichtungen, lichtemittierenden Geräten, in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie verwendet.
F4: Wie hoch ist die Dichte von Siliziumnitrid?
Die Dichte von Siliziumnitrid beträgt 3,17 g/cm³ (Gramm pro Kubikzentimeter). Sie kann je nach Herstellungsprozess zwischen 2,37 und 3,25 g/cm³ variieren. Die Dichte des Si3N4 ist ein wichtiger Parameter für viele Anwendungen, beispielsweise in der Kernphysik.
Abschluss: So, liebe Freunde, es ist Zeit für ein Fazit! Wir haben die wichtigsten Einsatzmöglichkeiten von Siliziumnitrid in verschiedenen Bereichen besprochen. Ich hoffe, der Artikel hat Ihnen Spaß gemacht und Sie haben das Wissen gesammelt, das Ihnen in Ihrer beruflichen Laufbahn weiterhilft.
Bleiben Sie mit uns in Verbindung, um weiterhin mehr über wichtige keramische Materialien, ihre Eigenschaften und Anwendungen zu erfahren. Vielen Dank