Siliciumnitride is een uitzonderlijk keramisch materiaal met bijzondere eigenschappen en toepassingen in moderne industrieën. De meest impactvolle toepassingen zijn te vinden in de auto-industrie, de lucht- en ruimtevaart, de lagerproductie, de elektronica, de biomedische sector en tandheelkundige implantaten.
Dankzij Si3N4 zijn veel apparaten en machines efficiënter en duurzamer geworden.
In dit artikel ontdekken we de toepassingen van siliciumnitride in de moderne industrie. Laten we erin duiken.
Wat is siliciumnitride?
Siliciumnitride (Si3N4) is een chemisch inert, thermodynamisch stabiel, vast, wit, niet-metalen keramisch materiaal. Het wordt geproduceerd door de chemische reactie van siliciumpoeder in een stikstofatmosfeer bij ongeveer 1400 graden Celsius. De chemische reactie die in siliciumnitride plaatsvindt, is:
3Si + 2N2 = Si3N4
Verschillende soorten materialen op basis van siliciumnitride worden voor verschillende doeleinden gebruikt. Elk materiaal heeft zijn eigen eigenschappen en prestaties. Hieronder volgen enkele van de meest gebruikte vormen van Si3N4-materialen:
-
RBSN (reactiegebonden siliciumnitride)
-
HPSN (warmgeperst siliciumnitride)
-
SRBSN (gesinterd reactiegebonden siliciumnitride)
-
SSN (gesinterd siliciumnitride)
-
PSSN (partieel druk gesinterd siliciumnitride)
-
en HIPSN (heet isostatisch geperst siliciumnitride).
Belangrijkste eigenschappen van siliciumnitride (Si3N4): Het keramische element Si3N4 heeft vele opmerkelijke eigenschappen die het geschikt maken voor diverse hoogwaardige technische en industriële toepassingen. De belangrijkste eigenschappen van siliciumnitride zijn:
-
Lage dichtheid van ongeveer 3,21 g/cm3
-
Hoge mechanische sterkte
-
Hoge breuktaaiheid van ongeveer 7 MPam1/2
-
Hoge thermische schokbestendigheid nabij 569 K
-
Uitstekende thermische stabiliteit en slijtvastheid
-
Lage thermische uitzettingscoëfficiënt
-
Superieure thermische schokbestendigheid
-
Goede oxidatiebestendigheid
-
En superieure breuktaaiheid.
Belangrijkste toepassingen van siliciumnitride in moderne industrieën:
-
Motorfabricage: Siliciumnitride wordt veel gebruikt bij de productie van verschillende zuigermotoren, motoren met vonkontsteking, automotoren en dieselmotoren.
Ook worden er diverse motoronderdelen van gemaakt, zoals gloeibougies van dieselmotoren, voorverbrandingskamers (of wervelkamers), turboladers, vonkontstekingsdempers van motortuimelaars en uitlaatgaskleppen.
-
Lagerindustrie: Het volledig verdichte siliciumnitridemateriaal is slijtvast, glad, zeer stijf en stabiel bij hoge temperaturen.
Daarom wordt HPSN (warmgeperst siliciumnitride) veel gebruikt bij de productie van lagers. Deze dichte Si3N4-legeringen verbeteren de operationele prestaties van smeringsloze kogellagers en rollagers.
Het Si3N4-keramische lager wordt niet beïnvloed door elektrische velden, magnetische velden of corrosie. Deze lagers zijn duurzaam, zeer corrosiebestendig en net zo snel als stalen lagers.
De meeste lagers van Si3N4 zijn hybride kogellagers met stalen loopvlakken en keramische kogels. Deze hybride lagers worden gebruikt in vacuümpompen, tandartsboren en spindels van gereedschapsmachines.
-
Lucht- en ruimtevaartindustrie: Conventionele materialen zoals composieten en metalen worden al lange tijd gebruikt in de vliegtuigbouw. Deze materialen zijn echter niet bestand tegen de extreme temperaturen, druk en corrosie van hypersonische vliegtuigen.
Om deze reden heeft de geavanceerde lucht- en ruimtevaartindustrie behoefte aan robuustere, lichte, zeer sterke, corrosiebestendige en temperatuurbestendige materialen, zoals keramisch siliciumnitride.
Het is essentieel bij de productie van motoren, stuwraketten, raketonderdelen, brandstofsystemen, RF-vensters, kogellagers en radarkoepels van vliegtuigen.
-
Productie van elektronische apparaten: Siliciumnitride kent brede toepassingen in de elektronica- en micro-elektronica-industrie. Het wordt vooral gebruikt als chemische barrière en isolator in diverse elektronische apparaten.
Si3N4 is een essentieel onderdeel van geïntegreerde schakelingen (IC's) en de beschermende verpakking van uiterst gevoelige elektronische apparaten.
Siliciumnitride werkt als een passieve laag en diffusiebarrière in micro-elektronische apparaten. Het wordt gebruikt als elektrische isolator in de condensatoren van de analoge chip.
Siliciumnitride heeft een breedbandige aard. Daarom wordt het toegepast in optische signaalverwerking, biochemische en biomedische optica, biofotonica, datacommunicatie en telecommunicatie.
-
Lasindustrie: Siliciumnitride kent talloze toepassingen in de elektrische weerstandslasindustrie voor de productie van lasrollen, ter vervanging van traditioneel staal. De extreme hardheid, sterkte en thermische schokbestendigheid hebben het tot een essentieel materiaal voor deze industrie gemaakt.
-
Biomedische industrie: Siliciumnitride is een ideaal materiaal voor biomedisch gebruik vanwege de biocompatibiliteit, antibacteriële eigenschappen, chemische sterilisatie, radiolucentie, het lichte gewicht, de slijt- en corrosiebestendigheid en de mechanische sterkte.
Siliciumnitride heeft geen bijwerkingen bij gebruik in het menselijk lichaam dankzij de biocompatibiliteit. De weerstand tegen biofilmvorming en bacteriegroei voorkomt infecties rond de implantaten.
De osteoconductiviteit van siliciumnitride vormt het bot. Het wordt daarom gebruikt in tandheelkundige implantaten, orthopedische implantaten, wondverzorging en fractuurfixatie.
Siliciumnitride wordt gebruikt als vervanging voor de wervelkolom en gewrichten. Door zijn uitzonderlijke mechanische sterkte is het bestand tegen hoge belastingen en zware lasten.
-
Biosensor: De superieure mechanische en elektrische eigenschappen van siliciumnitride maken het een uitstekend materiaal voor de biosensorindustrie.
De toepassing ervan in biosensortechnologie heeft veel problemen opgelost die verband houden met de gevoeligheid, stabiliteit en grootte van optische biosensoren. Het kan de effectiviteit van in-vivo- en in-vitrodiagnostiek verder verbeteren.
-
Tandheelkundig gebruik: De American Ceramic Society noemt siliciumnitride het "killer keramische materiaal" vanwege zijn antibacteriële eigenschappen. Het onderdrukt de Porphyromonas gingivalis-bacteriën die in de mondholte ontstaan. Deze bacteriën zijn de oorzaak van tandvleesaandoeningen.
De chemische stabiliteit van de tandheelkundig elementen van siliciumnitride zorgt ervoor dat ze niet worden aangetast door speeksel, zuren en andere chemicaliën in de mond. Ze reageren of corroderen niet zoals andere materialen, wat een lange levensduur garandeert.
Si3N4 verstoort de biologische structuur van bacteriën en vernietigt de moleculen, het DNA en de eiwitten in de cellen.
Het wordt gebruikt voor de vervaardiging van prothetische kronen, implantaten en wortelkanaalversterkende elementen. De kronen, bruggen en facings van siliciumnitride lijken op een echte tand. Deze Si3N4-implantaten zijn bestand tegen herhaalde wrijving met andere tanden en mechanische belasting.
-
Mogelijke toekomstige toepassingen: Keramisch silicium biedt vele mogelijkheden in diverse industrieën. De meest waarschijnlijke toepassingen zijn geavanceerde lucht- en ruimtevaarttoepassingen, kernenergie, gezondheidszorg, biomedische technologie, krachtige elektronica, elektrische voertuigen, hernieuwbare energie en 3D-printen.
Uitgebreider onderzoek en ontwikkeling van siliciumnitridematerialen maken het gebruik ervan binnenkort mogelijk.
Veelgestelde vragen
V1: Wat is het nut van siliciumnitride bij de fabricage van CMOS?
Siliciumnitride wordt gebruikt als diëlektrische laag, oxidatiebarrière, passiveringslaag, etsstoplaag, stressengineering, afstandhouder en hard masker bij de fabricage van CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).
Vraag 2: Wat is de werkfunctie van siliciumnitride?
De arbeidsfunctie van een materiaal is de minimale energie die nodig is om een elektron van het oppervlak van het materiaal te verplaatsen. De arbeidsfunctie van siliciumnitride is niet vast en varieert tussen 4,2 en 5,2 eV. Deze varieert afhankelijk van de productieomgeving en de materiaaleigenschappen.
V3: Wat zijn de toepassingen van nitride?
Nitridematerialen worden veel gebruikt vanwege hun chemische bestendigheid, hoge hardheid en thermische stabiliteit.
Deze nitriden worden gebruikt in elektronica, halfgeleiders, schuurmiddelen, snijgereedschappen, beschermende coatings, lichtgevende apparaten, de lucht- en ruimtevaart en de auto-industrie.
Vraag 4: Wat is de dichtheid van siliciumnitride?
De dichtheid van siliciumnitride is 3,17 g/cm³ (gram per kubieke centimeter). Deze kan variëren van 2,37 tot 3,25 g/cm³ tijdens het productieproces. De dichtheid van Si3N4 is een belangrijke parameter voor veel toepassingen, zoals de kernfysica.
Conclusie: Zo, vrienden, het is tijd om samen te vatten! We hebben de belangrijke toepassingen van siliciumnitride in verschillende vakgebieden besproken. Ik hoop dat je het artikel met plezier hebt gelezen en de kennis hebt opgedaan die je professionele carrière ten goede zal komen.
Blijf met ons in contact om te blijven leren over belangrijke keramische materialen, hun eigenschappen en toepassingen. Dank u wel.