Siliziumnitrid ist ein langlebiges und robustes Keramikmaterial mit vielen einzigartigen Eigenschaften. Es findet breite Anwendung in zahlreichen industriellen Werkzeugen und Geräten.
Die wirkungsvollsten Einsatzgebiete von Siliziumnitrid liegen in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrttechnik, der Lagerherstellung, der Elektronikindustrie, der biomedizinischen Ausrüstung, der Zahnimplantate usw.
Die hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften machen es zum besten Ersatz für herkömmliche Materialien in diesen Bereichen. Lassen Sie uns die Anwendungsmöglichkeiten von Siliziumnitrid im Detail untersuchen.
Was ist Siliziumnitrid?
Siliziumnitrid ist eine thermodynamisch stabile, feste, chemisch inerte, weiße, nichtmetallische chemische Verbindung. Es besteht aus drei Silizium- und vier Stickstoffatomen. Die Formel für Siliziumnitrid lautet Si3N4. Es ist eines der wichtigsten industriellen Nitride.
Siliziumnitrid entsteht durch die chemische Reaktion von Siliziumpulver in einer Stickstoffatmosphäre bei etwa 1400 Grad Celsius. Die chemische Reaktion ist:
3Si+ 2N2= Si3N4
Die Verbindung wurde erstmals im Jahr 1857 eingeführt und das erste synthetische Siliziumnitrid wurde von Deville und Wohler zwei Jahre nach der Einführung der Verbindung im Jahr 1859 entwickelt.
In den 1970er Jahren wurde es als Strukturkeramik und in den 1980er Jahren in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen verwendet.
Die Eigenschaften, die Verarbeitung und die Synthese von Si3N4 wurden in den darauffolgenden Jahren intensiv untersucht. Infolgedessen hat die kommerzielle Nutzung von Siliziumnitrid in den letzten Jahren deutlich zugenommen.
Es stehen verschiedene Arten von Materialien auf Siliziumnitridbasis zur Verfügung, beispielsweise:
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RBSN (reaktionsgebundenes Siliziumnitrid),
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HPSN (heißgepresstes Siliziumnitrid),
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SRBSN (gesintertes reaktionsgebundenes Siliziumnitrid),
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SSN (gesintertes Siliziumnitrid), PSSN (partialdruckgesintertes Siliziumnitrid)
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und HIPSN (heißisostatisch gepresstes Siliziumnitrid).
Wichtige Eigenschaften von Siliziumnitrid: Siliziumnitridkeramik verfügt über erstaunliche Eigenschaften, die sie für verschiedene anspruchsvolle technische Anwendungen geeignet machen. Wenn Sie mehr über diese Eigenschaften erfahren, verstehen Sie deren Einsatzmöglichkeiten. Die wichtigsten Eigenschaften von Siliziumnitrid sind:
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Geringe Dichte
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Hohe mechanische Festigkeit und Zähigkeit
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Hohe Thermoschockbeständigkeit
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Ausgezeichnete thermische Stabilität
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Ausgezeichnete Verschleißfestigkeit
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Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient
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Überlegene Temperaturschockbeständigkeit
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Gute Oxidationsbeständigkeit
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Und Bruchzähigkeit.
Wichtigste Anwendungen von Siliziumnitrid in modernen Industrien:
Siliziumnitrid ist einer der am häufigsten verwendeten Strukturkeramikwerkstoffe für verschiedene Geräte, Anlagen und Bauteile. Die wichtigsten Anwendungen von Siliziumnitrid sind:
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Motorenbau: Siliziumnitrid wird häufig bei der Herstellung verschiedener Hubkolbenmotoren, Ottomotoren und Dieselmotorenteile verwendet. Es wird auch in der Automobilmotorenindustrie eingesetzt, wo es zu keinen schwerwiegenden Ausfällen kommt.
Die aus Siliziumnitrid gefertigten Dieselmotorteile sind Glühkerzen, Vorkammern (oder Wirbelkammern) und Turbolader. Der SiN4-Dieselmotor-Turbolader weist eine geringere Trägheit auf, was die Motorverzögerung und die Abgasemissionen reduziert.
Zu den Siliziumnitrid-Motorteilen mit Fremdzündung zählen Kipphebelauflagen, Turbolader und Abgasregelventile. Das Abgasregelventil erhöht die Beschleunigung und die Kipphebelauflage verringert den Verschleiß des Motors.
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Lagerindustrie: Das vollständig verdichtete Siliziumnitridmaterial ist verschleißfest, reibungsarm, hochsteif und hochtemperaturbeständig. Daher wird HPSN (heißgepresstes Siliziumnitrid) häufig in der Lagerproduktion eingesetzt. Dieses dichte Si3N4 steigert die Leistung von schmiermittelfreien Kugel- und Rollenlagern.
Das Keramiklager ist unempfindlich gegenüber elektrischen und magnetischen Feldern sowie Korrosion. Diese Lager haben eine längere Lebensdauer, höhere Korrosionsbeständigkeit und höhere Geschwindigkeiten als herkömmliche Materialien wie Stahllager. Keramiklager werden in Maschinen und Verbindungen eingesetzt, in denen Metalllager verboten sind.
Die meisten Siliziumnitridlager sind Hybridkugellager mit Stahllaufringen und Keramikkugeln. Diese Hybridlager werden in Vakuumpumpen, Dentalbohrern und Werkzeugmaschinenspindeln eingesetzt.
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Luft- und Raumfahrtindustrie: Konventionelle Materialien wie Verbundwerkstoffe und Metalle werden im Flugzeugbau schon lange eingesetzt. Den extremen Temperaturen, Drücken und der Korrosion von Hyperschallflugzeugen sind sie jedoch nicht gewachsen.
Daher benötigt die fortschrittliche Luft- und Raumfahrtindustrie robustere, leichtere, hochfeste, korrosionsbeständige, temperaturbeständige und stabilere Materialien wie Keramik.
Die mechanische Festigkeit und Robustheit des keramischen Siliziumnitrids machen es für HF-Fenster, Kugellager und Radome geeignet. Für den breiten Einsatz des Materials in der Luft- und Raumfahrt sind weitere Forschung, Entwicklung und Anpassung erforderlich.
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Herstellung elektronischer Geräte: Siliziumnitrid verfügt über einzigartige elektrische Eigenschaften und ist daher ein beliebtes Material in der Mikroelektronikindustrie, das als chemische Barriere und Isolator eingesetzt wird. Es wird in integrierten Schaltkreisen (ICs) und der Schutzverpackung hochempfindlicher elektronischer Geräte verwendet.
Siliziumnitrid nimmt nicht an den chemischen Reaktionen mit Natriumionen und Wasser teil. Es fungiert als passive Schicht und Diffusionsbarriere in mikroelektronischen Geräten.
Keramisches Siliziumnitrid wird auch als elektrischer Isolator in den Kondensatoren des Analogchips verwendet. Aufgrund seiner Breitbandeigenschaften findet es Anwendung in der optischen Signalverarbeitung, der biochemischen und biomedizinischen Optik, der Biophotonik, der Datenkommunikation und der Telekommunikation.
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Schweißindustrie: Siliziumnitrid (Si3N4) ersetzt herkömmlichen Stahl beim elektrischen Widerstandsschweißen. Schweißrollen aus Siliziumnitrid sind in der Schweißindustrie beliebt. Härte, Festigkeit und Thermoschockbeständigkeit machen es zu einem unverzichtbaren Werkstoff für diese Branche.
Schweißwerkzeuge aus Siliziumnitrid sind effizient, langlebig und benötigen weniger Wartung als andere Metallwerkzeuge. Wenn Sie Ihre Schweißgeräte verbessern möchten, verwenden Sie die Si3N4-Produkte.
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Biomedizinische Industrie: Siliziumnitrid verfügt über besondere Eigenschaften wie Biokompatibilität, antibakterielle Eigenschaften, chemische Sterilisation, Röntgentransparenz, geringes Gewicht, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie mechanische Festigkeit. Diese Eigenschaften machen es zu einem idealen Material für biomedizinische Anwendungen.
Die Biokompatibilität stellt sicher, dass Siliziumnitrid bei der Anwendung im menschlichen Körper keine Nebenwirkungen zeigt. Es weist eine hervorragende Resistenz gegen Biofilmbildung und Bakterienwachstum auf und verhindert so Infektionen rund um die Implantate.
Die Osteokonduktivität von Siliziumnitrid trägt zur Knochenbildung bei. Deshalb wird das Material in Zahnimplantaten, orthopädischen Implantaten und in der Wundversorgung eingesetzt. Es wird auch in Frakturfixierungsvorrichtungen verwendet.
Die außergewöhnliche mechanische Festigkeit von Siliziumnitrid ermöglicht es, hohen Belastungen und hohen Belastungen als Ersatz für Wirbelsäule und Gelenke standzuhalten. Die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit gewährleistet die Langlebigkeit der Implantate. Zudem reduziert es die Möglichkeit der Ionen- und Ablagerungsfreisetzung im Körper.
Die Röntgendurchlässigkeit des Siliziumnitrids ermöglicht eine bessere postoperative Überwachung durch Röntgen- und CT-Scans, da es diese Bildgebungsverfahren im Gegensatz zu Metallimplantaten nicht behindert.
Schließlich helfen Siliziumnitrid-Elemente dem medizinischen Fachpersonal, mögliche Komplikationen effektiver zu erkennen und zu heilen.
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Biosensor: Die Anwendung von Siliziumnitrid in der Biosensortechnologie hat die Probleme gelöst, die mit der Empfindlichkeit, Stabilität und Größe optischer Biosensoren verbunden sind.
Es kann die Wirksamkeit der In-vivo- und In-vitro-Diagnostik weiter steigern. Die erstklassigen mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Siliziumnitrid machen es zu einem hervorragenden Material für die Biosensorindustrie.
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Zahnärztliche Anwendungen: Verschiedene einflussreiche Eigenschaften haben Si3N4 perfekt für den zahnmedizinischen Einsatz gemacht.
Die American Ceramic Society hat Siliziumnitrid aufgrund seiner antibakteriellen Eigenschaften als „Killer-Keramikmaterial“ bezeichnet. Es kann das Wachstum von Porphyromonas gingivalis-Bakterien in der Mundhöhle hemmen. Diese Bakterien sind die Ursache für Zahnfleischerkrankungen.
Das Siliziumnitrid kann die biologische Struktur der Bakterien zerstören und sie schädigen, indem es die Moleküle, die DNA und das Protein der Zellen zerstört.
Die aus Siliziumnitrid gefertigten Zahnkronen, Brücken und Veneers sehen aus wie echte Zähne. Diese Si3N4-Zahnelemente halten wiederholtem Kontakt mit anderen Zähnen und mechanischer Belastung stand.
Die chemische Stabilität der Zahnelemente aus Siliziumnitrid verhindert deren Zersetzung im Mundraum durch Speichel, Säuren und andere Chemikalien. Sie reagieren nicht und korrodieren nicht wie andere Materialien und gewährleisten eine lange Lebensdauer.
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Mögliche zukünftige Verwendungen: Die Einsatzmöglichkeiten von keramischem Siliziumnitrid sind in verschiedenen Branchen enorm. 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
Einige häufig gestellte Fragen helfen Ihnen, mehr über die Verwendung von Siliziumnitrid zu erfahren. Die häufigsten Fragen zu diesem Thema sind:
F1: Wozu dient Siliziumnitrid bei der CMOS-Herstellung?
Siliziumnitrid wird als dielektrische Schicht, Oxidationsbarriere, Passivierungsschicht, Ätzstoppschicht, Spannungstechnik, Abstandsmaterial, Hartmaske usw. bei der CMOS-Fertigung (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) verwendet.
F2: Was ist die Austrittsarbeit von Siliziumnitrid?
Die Austrittsarbeit eines Materials bezeichnet die minimale Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron von der Materialoberfläche zu entfernen. Die Austrittsarbeit von Siliziumnitrid ist nicht festgelegt. Sie variiert je nach Herstellungsumgebung und den Materialeigenschaften.
Die Austrittsarbeit von Siliziumnitrid liegt zwischen 4,2 eV und 5,2 eV.
F3: Wofür wird Nitrid verwendet?
Nitridmaterialien werden aufgrund ihrer chemischen Beständigkeit, hohen Härte und thermischen Stabilität häufig verwendet. Zu den am häufigsten verwendeten Nitridmaterialien gehören Siliziumnitrid, Bornitrid, Lithiumnitrid, Titannitrid und Galliumnitrid.
Diese Nitride werden in der Elektronik, bei Halbleitern, Schleifmitteln, Schneidwerkzeugen, Schutzbeschichtungen, Leuchtgeräten sowie in der Luft- und Raumfahrt und 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 von Si3N4 ist ein wichtiger Parameter für viele Anwendungen, beispielsweise in der Kernphysik.
Abschluss: So, liebe Freunde, es ist Zeit für eine Zusammenfassung! Wir haben die wichtigsten Anwendungen von Siliziumnitrid in verschiedenen Bereichen behandelt. Ich hoffe, der Artikel hat Ihnen Spaß gemacht und Ihnen das Wissen vermittelt, das Ihnen bei Ihrer beruflichen Tätigkeit hilft.
Bleiben Sie mit uns in Verbindung, um weiterhin mehr über wichtige keramische Materialien, ihre Eigenschaften und Anwendungen zu erfahren. Vielen Dank