Silikon nitrida adalah material keramik yang luar biasa dengan sifat dan aplikasi khusus dalam industri modern. Di antara semua itu, aplikasi yang paling berpengaruh ditemukan dalam industri otomotif, teknik kedirgantaraan, manufaktur bantalan, elektronik, biomedis, dan implan gigi.
Si3N4 telah membuat banyak peralatan dan mesin lebih efisien dan tahan lama daripada sebelumnya.
Dalam artikel ini, kita akan membahas penggunaan silikon nitrida dalam industri modern. Mari kita bahas lebih lanjut.
Apa itu Silikon Nitrida?
Silikon nitrida (Si3N4) adalah material keramik non-logam berwarna putih, padat, dan inert secara kimia, stabil secara termodinamika. Silikon nitrida diproduksi melalui reaksi kimia bubuk silikon yang disimpan dalam atmosfer nitrogen pada suhu sekitar 1400 derajat Celcius. Reaksi kimia yang terjadi pada silikon nitrida adalah:
3Si+ 2N2 = Si3N4
Berbagai jenis material berbasis silikon nitrida digunakan untuk berbagai keperluan. Masing-masing memiliki sifat dan kinerja yang berbeda. Berikut ini adalah beberapa bentuk material Si3N4 yang paling umum digunakan:
-
RBSN (silikon nitrida terikat 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 (Si3N4): Elemen keramik Si3N4 memiliki banyak sifat luar biasa yang membuatnya cocok untuk berbagai aplikasi teknik dan industri berkinerja tinggi. Sifat-sifat utama silikon nitrida adalah:
-
Kepadatan rendah sekitar 3,21 g/cm3
-
Kekuatan mekanik tinggi
-
Ketahanan patah tinggi sekitar 7 MPam1/2
-
Ketahanan guncangan termal tinggi mendekati 569 K
-
Stabilitas termal dan ketahanan aus yang sangat baik
-
Koefisien ekspansi termal rendah
-
Ketahanan guncangan termal yang unggul
-
Ketahanan oksidasi yang baik
-
Dan ketangguhan patah yang unggul.
Penggunaan Utama Silikon Nitrida dalam Industri Modern:
-
Pembuatan Mesin: Silikon nitrida digunakan secara luas dalam pembuatan berbagai mesin resiprokal, mesin pengapian percikan, mesin mobil, dan mesin diesel.
Berbagai komponen mesin juga dibuat darinya, seperti busi pijar mesin diesel, ruang pra-pembakaran (atau ruang pusaran), turbocharger, bantalan lengan ayun mesin yang dipicu percikan api, dan katup kontrol gas buang.
-
Industri Bearing: Bahan silikon nitrida yang sepenuhnya padat bersifat tahan aus, halus, sangat kaku, dan stabil dalam suhu tinggi.
Oleh karena itu, HPSN (silikon nitrida tekan panas) umumnya digunakan dalam produksi bantalan. Si3N4 yang padat ini meningkatkan kinerja operasional bantalan bola dan bantalan rol tanpa pelumasan.
Bantalan berbahan keramik Si3N4 tidak terpengaruh oleh medan listrik, medan magnet, atau korosi. Bantalan ini tahan lama, sangat tahan korosi, dan cepat seperti bantalan baja.
Kebanyakan bantalan berbahan Si3N4 adalah bantalan bola hibrida dengan lintasan 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. Material tersebut tidak tahan terhadap suhu, tekanan, dan korosi ekstrem yang disebabkan oleh kendaraan terbang hipersonik.
Karena alasan ini, industri kedirgantaraan maju membutuhkan material yang lebih kuat, ringan, berkekuatan tinggi, tahan korosi, dan tahan suhu seperti keramik silikon nitrida.
Ini penting dalam pembuatan mesin, pendorong, komponen rudal, sistem bahan bakar, jendela RF, bantalan bola, dan kubah radar pesawat terbang.
-
Pembuatan Peralatan Elektronik: Material silikon nitrida memiliki aplikasi yang luas dalam industri elektronik dan mikroelektronika. Material ini paling banyak digunakan sebagai penghalang kimia dan isolator pada berbagai peralatan elektronik.
Si3N4 merupakan elemen penting dari Sirkuit Terpadu (IC) dan kemasan pelindung perangkat elektronik yang sangat sensitif.
Silikon nitrida berfungsi sebagai lapisan pasif dan penghalang difusi dalam perangkat mikroelektronik. Ia digunakan sebagai isolator listrik dalam kapasitor chip analog.
Silikon nitrida memiliki sifat pita lebar. Oleh karena itu, ia memiliki aplikasi dalam pemrosesan sinyal optik, optik biokimia dan biomedis, biofotonik, komunikasi data, dan telekomunikasi.
-
Industri Pengelasan: Silikon nitrida memiliki banyak kegunaan dalam industri pengelasan resistansi listrik untuk membuat rol las, menggantikan baja tradisional. Kekerasan, kekuatan, dan ketahanan terhadap guncangan termal yang ekstrem menjadikannya material penting bagi industri ini.
-
Industri Biomedis: Silikon nitrida merupakan material yang ideal untuk penggunaan biomedis karena biokompatibilitasnya, karakteristik anti-bakteri, sterilisasi kimia, radiolusensi, ringan, tahan aus dan korosi, serta kekuatan mekanisnya.
Silikon nitrida tidak memiliki efek samping saat digunakan dalam tubuh manusia karena biokompatibilitasnya. Ketahanannya terhadap pembentukan biofilm dan pertumbuhan bakteri mencegah infeksi di sekitar implan.
Konduktivitas osteokonduktivitas silikon nitrida membentuk tulang. Oleh karena itu, silikon nitrida digunakan dalam implan gigi, ortopedi, perawatan luka, dan alat fiksasi fraktur.
Silikon nitrida digunakan sebagai pengganti tulang belakang dan sendi. Kekuatan mekanisnya yang luar biasa memungkinkannya menahan tekanan tinggi dan beban berat.
-
Biosensor: Sifat mekanik dan listrik silikon nitrida yang unggul telah menjadikannya bahan yang sangat baik untuk industri biosensor.
Penggunaannya dalam teknologi biosensor telah memecahkan banyak masalah terkait sensitivitas, stabilitas, dan ukuran biosensor optik. Hal ini dapat semakin meningkatkan efikasi diagnostik in vivo dan in vitro.
-
Kegunaan dalam bidang kedokteran gigi: American Ceramic Society menyebut silikon nitrida sebagai "material keramik pembunuh" karena karakteristik antibakterinya. Silikon nitrida menekan bakteri Porphyromonas gingivalis yang berkembang di rongga mulut. Bakteri inilah yang menyebabkan penyakit gusi.
Stabilitas kimia elemen gigi silikon nitrida mencegah degradasinya di lingkungan mulut akibat saliva, asam, dan bahan kimia lainnya. Elemen ini tidak bereaksi atau terkorosi seperti material lain, sehingga memastikan masa pakai yang panjang.
Si3N4 merusak struktur biologis bakteri dan menghancurkan molekul, DNA, dan protein sel.
Silikon nitrida digunakan untuk membuat mahkota prostetik, implan gigi, dan elemen penguat saluran akar. Mahkota gigi, jembatan gigi, dan veneer berbahan silikon nitrida ini tampak seperti gigi asli. Implan gigi berbahan Si3N4 ini dapat menahan gesekan berulang dengan gigi lain dan tekanan mekanis.
-
Kemungkinan Penggunaan di Masa Depan: Silikon keramik memiliki banyak potensi di berbagai industri. Bidang yang paling memungkinkan adalah aplikasi kedirgantaraan canggih, energi nuklir, layanan kesehatan, biomedis, elektronika daya 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
Q1: Apa kegunaan silikon nitrida dalam fabrikasi CMOS?
Silikon nitrida digunakan sebagai lapisan dielektrik, penghalang oksidasi, lapisan pasivasi, lapisan penghenti etsa, rekayasa tegangan, pengatur jarak, dan masker keras dalam fabrikasi CMOS (Semikonduktor-Oksida-Logam Komplementer).
Q2: Apa fungsi kerja silikon nitrida?
Fungsi kerja suatu material adalah energi minimum yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron dari permukaan material. Fungsi kerja silikon nitrida tidak tetap dan bervariasi antara 4,2 eV hingga 5,2 eV. Nilainya bervariasi tergantung pada lingkungan manufaktur dan sifat materialnya.
Q3: Apa kegunaan nitrida?
Bahan nitrida banyak digunakan karena ketahanan kimianya, kekerasannya yang tinggi, dan stabilitas termalnya.
Nitrida ini digunakan dalam industri elektronik, semikonduktor, bahan abrasif, alat 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 selama proses produksi. Kepadatan Si3N4 merupakan parameter penting untuk berbagai aplikasi, seperti fisika nuklir.
Kesimpulan: Nah, teman-teman, saatnya merangkum! Kita telah membahas berbagai kegunaan penting silikon nitrida di berbagai bidang. Semoga Anda menikmati membaca artikel ini dan memperoleh pengetahuan yang akan membantu karier profesional Anda.
Tetaplah terhubung dengan kami untuk terus belajar tentang material keramik yang penting, sifat-sifatnya, dan aplikasinya. Terima kasih