Silikon nitrida adalah material keramik yang kuat dan tahan lama dengan banyak karakteristik unik. Material ini memiliki aplikasi yang luas dalam berbagai peralatan dan perkakas industri.
Penggunaan silikon nitrida yang paling berdampak adalah pada industri otomotif, teknik kedirgantaraan, pembuatan bantalan, industri elektronik, peralatan biomedis, implan gigi, dll.
Sifat fisik dan kimianya yang luar biasa telah menjadikannya pengganti terbaik untuk material tradisional di bidang tersebut. Mari kita bahas dan jelajahi penggunaan silikon nitrida secara mendetail.
Apa itu Silikon Nitrida?
Silikon nitrida adalah senyawa kimia non-logam yang stabil secara termodinamika, padat, inert secara kimia, berwarna putih. Senyawa ini terdiri dari tiga atom silikon dan empat atom nitrogen. Rumus silikon nitrida adalah Si3N4. Senyawa ini merupakan salah satu nitrida industri yang paling penting.
Silikon nitrida dibuat dari reaksi kimia bubuk silikon yang disimpan dalam atmosfer nitrogen pada suhu sekitar 1400 derajat celcius. Reaksi kimianya adalah:
3Si+ 2N2 = Si3N4
Senyawa ini pertama kali diperkenalkan pada tahun 1857 dan silikon nitrida sintetis pertama ditemukan oleh Deville dan Wohler setelah dua tahun senyawa tersebut diperkenalkan pada tahun 1859.
Ia digunakan sebagai keramik struktural pada tahun 1970-an dan mesin pembakaran internal serta turbin gas pada tahun 1980-an.
Sifat, pemrosesan, dan sintesis Si3N4 dipelajari secara luas selama beberapa tahun setelah itu. Hasilnya, penggunaan silikon nitrida komersial telah meningkat secara signifikan dalam beberapa tahun terakhir.
Ada berbagai jenis bahan berbasis silikon nitrida yang tersedia seperti:
-
RBSN (silikon nitrida berikatan reaksi),
-
HPSN (silikon nitrida tekan panas),
-
SRBSN (silikon nitrida berikatan reaksi sinter),
-
SSN (silikon nitrida sinter), PSSN (silikon nitrida sinter tekanan parsial)
-
dan HIPSN (silikon nitrida yang ditekan secara isostatik panas).
Sifat Utama Silikon Nitrida: Keramik silikon nitrida memiliki sifat-sifat menakjubkan yang membuatnya cocok untuk berbagai aplikasi teknik tingkat lanjut. Mempelajari sifat-sifat ini akan membantu Anda memahami kegunaannya. Sifat-sifat utama silikon nitrida adalah:
-
Kepadatan rendah
-
Kekuatan mekanik dan ketangguhan tinggi
-
Tahan terhadap guncangan termal yang tinggi
-
Stabilitas termal yang sangat baik
-
Ketahanan aus yang sangat baik
-
Koefisien ekspansi termal rendah
-
Ketahanan guncangan termal yang unggul
-
Ketahanan oksidasi yang baik
-
Dan ketangguhan retak.
Penggunaan Utama Silikon Nitrida dalam Industri Modern:
Silikon nitrida merupakan salah satu bahan keramik struktural yang paling banyak digunakan untuk berbagai peralatan, perkakas, dan suku cadang. Aplikasi silikon nitrida yang paling berpengaruh adalah:
-
Pembuatan Mesin: Silikon nitrida digunakan secara luas dalam pembuatan berbagai mesin resiprokal, mesin dengan percikan api, dan komponen mesin diesel. Silikon nitrida juga digunakan dalam industri mesin mobil yang kerusakannya tidak parah.
Komponen mesin diesel yang terbuat dari silikon nitrida adalah busi pijar, ruang pra-pembakaran (atau ruang pusaran), dan turbocharger. Turbocharger mesin diesel SiN4 memiliki inersia yang lebih rendah yang mengurangi kelambatan mesin dan emisi gas buang.
Komponen mesin yang menggunakan percikan silikon nitrida adalah bantalan lengan ayun, turbocharger, dan katup kontrol gas buang. Katup kontrol gas buang ini meningkatkan akselerasi dan bantalan lengan ayun mengurangi keausan mesin.
-
Industri Bearing: Bahan silikon nitrida yang dipadatkan sepenuhnya tahan aus, tidak mudah bergesekan, sangat kaku, dan stabil dalam suhu tinggi. Oleh karena itu, HPSN (silikon nitrida yang ditekan panas) umumnya digunakan dalam produksi bantalan. Si3N4 yang padat ini meningkatkan kinerja operasional bantalan bola dan rol tanpa pelumasan.
Bantalan keramik tidak terpengaruh oleh medan listrik, medan magnet, dan korosi. Bantalan ini memiliki masa pakai yang lebih lama, ketahanan korosi yang lebih tinggi, dan kecepatan yang lebih baik daripada bahan konvensional seperti bantalan baja. Bantalan keramik digunakan pada mesin dan sambungan yang melarang penggunaan bantalan berbahan logam.
Sebagian besar bantalan silikon nitrida adalah bantalan bola hibrida dari baja dan bola keramik. Bantalan hibrida ini digunakan untuk pompa vakum, bor gigi, dan spindel peralatan mesin.
-
Industri kedirgantaraan: Material konvensional seperti komposit dan logam telah lama digunakan dalam produksi pesawat terbang. Namun, material tersebut tidak tahan terhadap suhu, tekanan, dan korosi ekstrem pada kendaraan terbang hipersonik.
Oleh karena itu, industri kedirgantaraan yang maju membutuhkan material yang lebih kuat, ringan, berkekuatan tinggi, tahan korosi, tahan suhu, dan stabil seperti keramik.
Kekuatan mekanis dan kekokohan keramik silikon nitrida membuatnya cocok untuk jendela RF, bantalan bola, dan kubah radar. Diperlukan lebih banyak penelitian, pengembangan, dan penyesuaian untuk menggunakan material ini secara luas di bidang kedirgantaraan.
-
Pembuatan Peralatan Elektronik: Silikon nitrida memiliki sifat listrik yang unik, sehingga menjadikannya material yang populer bagi industri mikroelektronika sebagai penghalang dan isolator kimia. Silikon nitrida digunakan dalam Sirkuit Terpadu (IC) dan kemasan pelindung perangkat elektronik yang sangat sensitif.
Silikon nitrida tidak terlibat dalam reaksi kimia dengan ion natrium dan air. Ia berfungsi sebagai lapisan pasif dan penghalang difusi dalam perangkat mikroelektronik.
Keramik silikon nitrida juga digunakan sebagai isolator listrik dalam kapasitor chip analog. Keramik ini memiliki aplikasi dalam pemrosesan sinyal optik, optik biokimia dan biomedis, biofotonik, komunikasi data, dan telekomunikasi karena sifatnya yang pita lebar.
-
Industri Pengelasan: Silikon nitrida si3n4 menggantikan penggunaan baja konvensional dalam pengelasan resistansi listrik. Rol las yang terbuat dari silikon nitrida populer dalam industri pengelasan. Kekerasan, kekuatan, dan ketahanan terhadap guncangan termal telah menjadikannya material penting untuk industri ini.
Alat las berbahan silikon nitrida efisien, tahan lama, dan memerlukan perawatan lebih sedikit dibandingkan alat las berbahan logam lainnya. Jika Anda menginginkan peningkatan pada peralatan las Anda, gunakan produk Si3N4.
-
Industri Biomedis: Silikon nitrida memiliki sifat-sifat khusus seperti biokompatibilitas, karakteristik antibakteri, sterilisasi kimia, radiolusensi, ringan, tahan aus dan korosi, serta kuat secara mekanis. Sifat-sifat ini menjadikannya material yang ideal untuk penggunaan biomedis.
Biokompatibilitasnya memastikan silikon nitrida tidak menunjukkan efek samping apa pun saat digunakan dalam tubuh manusia. Silikon nitrida memiliki ketahanan yang sangat baik terhadap pembentukan biofilm dan pertumbuhan bakteri yang mencegah infeksi di sekitar implan.
Sifat osteokonduktivitas silikon nitrida membantu pembentukan tulang. Itulah sebabnya material ini digunakan dalam implan gigi, ortopedi, dan perawatan luka. Material ini juga digunakan dalam alat fiksasi fraktur.
Kekuatan mekanis silikon nitrida yang luar biasa memungkinkan untuk menahan tekanan tinggi dan beban berat sebagai pengganti tulang belakang dan sendi. Ketahanan terhadap keausan dan korosi memastikan keawetan implan. Ini juga mengurangi kemungkinan pelepasan ion dan kotoran dalam tubuh.
Radiolusensi silikon nitrida memungkinkan pemantauan pascaoperasi yang lebih baik melalui sinar-X dan pemindaian CT. Karena tidak menghalangi proses pencitraan seperti implan logam.
Lagi pula, unsur silikon nitrida membantu para profesional medis mendeteksi dan menyembuhkan potensi komplikasi secara lebih efektif.
-
Biosensor: Aplikasi silikon nitrida dalam teknologi biosensor telah memecahkan masalah yang terkait dengan sensitivitas, stabilitas, dan ukuran biosensor optik.
Hal ini dapat lebih jauh mengembangkan kemanjuran diagnostik in-vivo dan in-vitro. Sifat mekanik dan listrik silikon nitrida yang bermutu tinggi telah menjadikannya material yang sangat baik untuk industri biosensor.
-
Kegunaan dalam bidang kedokteran gigi: Berbagai sifat berpengaruh telah membuat Si3N4 sempurna untuk penggunaan di bidang kedokteran gigi.
American Ceramic Society telah menandai silikon nitrida sebagai "material keramik pembunuh" karena sifat antibakterinya. Silikon nitrida dapat menekan bakteri porphyromonas gingivalis yang tumbuh di rongga mulut. Bakteri ini adalah penyebab penyakit gusi.
Silikon nitrida dapat memecah struktur biologis bakteri dan dapat merusaknya dengan menghancurkan molekul, DNA, dan protein sel.
Mahkota gigi, jembatan gigi, dan veneer yang terbuat dari silikon nitrida memiliki tampilan seperti gigi asli. Elemen gigi Si3N4 ini dapat bertahan terhadap kontak berulang dengan gigi lain dan tekanan mekanis.
Stabilitas kimia dari elemen gigi silikon nitrida menahan degradasinya di lingkungan mulut akibat air liur, asam, dan bahan kimia lainnya. Elemen ini tidak bereaksi atau terkorosi seperti bahan lain dan memastikan keawetannya.
-
Kemungkinan Penggunaan di Masa Depan: Ada peluang besar untuk menggunakan keramik silikon nitrida di berbagai industri. Bidang yang paling memungkinkan adalah aplikasi kedirgantaraan canggih, energi nuklir, perawatan kesehatan, biomedis, elektronik berdaya tinggi, kendaraan listrik, energi terbarukan, dan pencetakan 3D.
Penelitian dan pengembangan yang lebih luas pada bahan silikon nitrida akan segera memungkinkan penggunaan itu.
Tanya Jawab Umum
Beberapa pertanyaan yang sering diajukan akan membantu Anda lebih memahami penggunaan silikon nitrida. Pertanyaan yang paling umum tentang topik ini adalah:
Q1: Apa kegunaan silikon nitrida dalam fabrikasi CMOS?
Silikon nitrida digunakan sebagai lapisan dielektrik, penghalang oksidasi, lapisan pasivasi, lapisan penghenti etsa, rekayasa tegangan, bahan pengatur jarak, masker keras, dan lain-lain dalam fabrikasi CMOS (Semikonduktor-Oksida-Logam Komplementer).
Q2: Apa fungsi kerja silikon nitrida?
Fungsi kerja suatu material berarti energi minimum yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron dari permukaan material. Fungsi kerja silikon nitrida tidak tetap. Fungsi kerja ini bervariasi tergantung pada lingkungan produksi dan sifat material.
Fungsi kerja silikon nitrida adalah antara 4,2 eV hingga 5,2 eV.
Q3: Apa kegunaan nitrida?
Material nitrida banyak digunakan karena ketahanan kimianya, kekerasannya yang tinggi, dan stabilitas termalnya. Beberapa material nitrida yang paling banyak digunakan adalah silikon nitrida, boron nitrida, litium nitrida, titanium nitrida, dan galium nitrida.
Nitrida ini digunakan dalam industri elektronik, semikonduktor, bahan abrasif, peralatan pemotong, lapisan pelindung, perangkat pemancar cahaya, kedirgantaraan, dan otomotif.
Q4: Berapa kerapatan silikon nitrida?
Kepadatan silikon nitrida adalah 3,17 g/cm3 (gram per sentimeter kubik). Kepadatannya dapat bervariasi antara 2,37 hingga 3,25 g/cm3 untuk proses produksi. Kepadatan Si3N4 merupakan parameter penting untuk banyak aplikasi seperti fisika nuklir.
Kesimpulan: Nah, teman-teman, sekarang saatnya untuk menyimpulkan! Kita telah membahas berbagai penggunaan penting silikon nitrida di berbagai bidang. Saya harap Anda menikmati membaca artikel ini dan memperoleh pengetahuan yang akan membantu aktivitas profesional Anda.
Tetaplah terhubung dengan kami untuk terus belajar tentang material keramik yang penting, sifat-sifatnya, dan aplikasinya. Terima kasih