Azotek krzemu to wyjątkowy materiał ceramiczny o szczególnych właściwościach i zastosowaniach w nowoczesnych gałęziach przemysłu. Wśród nich, najbardziej istotne zastosowania znajdują się w przemyśle motoryzacyjnym, inżynierii lotniczej i kosmicznej, produkcji łożysk, elektronice, biomedycynie oraz implantach stomatologicznych.
Dzięki zastosowaniu Si3N4 wiele urządzeń i maszyn stało się bardziej wydajnych i trwalszych niż wcześniej.
W tym artykule odkryjemy zastosowania azotku krzemu w nowoczesnych gałęziach przemysłu. Zanurzmy się w temat.
Czym jest azotek krzemu?
Azotek krzemu (Si3N4) to chemicznie obojętny, termodynamicznie stabilny, stały, biały, niemetaliczny materiał ceramiczny. Powstaje w wyniku reakcji chemicznej sproszkowanego krzemu przechowywanego w atmosferze azotu w temperaturze około 1400 stopni Celsjusza. Reakcja chemiczna zachodząca w azotku krzemu to:
3Si+ 2N2= Si3N4
Różne rodzaje materiałów na bazie azotku krzemu są wykorzystywane do różnych celów. Każdy z nich charakteryzuje się innymi właściwościami i wydajnością. Poniżej przedstawiono niektóre z najczęściej stosowanych form materiałów Si3N4:
-
RBSN (azotek krzemu wiązany reakcyjnie)
-
HPSN (azotek krzemu prasowany na gorąco)
-
SRBSN (spiekany azotek krzemu wiązany reakcyjnie)
-
SSN (spiekany azotek krzemu)
-
PSSN (spiekany azotek krzemu pod ciśnieniem parcjalnym)
-
i HIPSN (gorący izostatycznie prasowany azotek krzemu).
Kluczowe właściwości azotku krzemu (Si3N4): Element ceramiczny Si3N4 posiada wiele niezwykłych właściwości, które czynią go odpowiednim do różnych wysokowydajnych zastosowań inżynieryjnych i przemysłowych. Główne właściwości azotku krzemu to:
-
Niska gęstość około 3,21 g/cm3
-
Wysoka wytrzymałość mechaniczna
-
Wysoka wytrzymałość na pękanie około 7 MPam1/2
-
Wysoka odporność na szok termiczny w okolicach 569 K
-
Doskonała stabilność termiczna i odporność na zużycie
-
Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej
-
Wyższa odporność na szok termiczny
-
Dobra odporność na utlenianie
-
I lepsza odporność na pękanie.
Główne zastosowania azotku krzemu w nowoczesnych gałęziach przemysłu:
-
Produkcja silników: Azotek krzemu jest szeroko stosowany w produkcji silników tłokowych, silników z zapłonem iskrowym, silników samochodowych i silników Diesla.
Z niego wykonuje się również różne części silników, np. świece żarowe silników Diesla, komory wstępnego spalania (lub komory wirowe), turbosprężarki, podkładki wahaczy silników z zapłonem iskrowym i zawory sterujące spalinami.
-
Branża łożysk: W pełni zagęszczony materiał azotku krzemu jest odporny na zużycie, gładki, bardzo sztywny i stabilny w wysokich temperaturach.
Dlatego w produkcji łożysk powszechnie stosuje się azotek krzemu HPSN (prasowany na gorąco). Te gęste stopiwa Si3N4 poprawiają wydajność bezsmarowych łożysk kulkowych i wałeczkowych.
Łożyska ceramiczne Si3N4 są odporne na pola elektryczne, magnetyczne i korozję. Łożyska te są trwałe, wysoce odporne na korozję i szybkie jak łożyska stalowe.
Większość łożysk wykonanych z Si3N4 to hybrydowe łożyska kulkowe ze stalowymi bieżniami i kulkami ceramicznymi. Te hybrydowe łożyska są stosowane w pompach próżniowych, wiertarkach dentystycznych i wrzecionach obrabiarek.
-
Przemysł lotniczy i kosmiczny: Konwencjonalne materiały, takie jak kompozyty i metale, są stosowane w produkcji samolotów od dawna. Materiały te nie są jednak odporne na ekstremalne temperatury, ciśnienie i korozję hipersonicznych statków powietrznych.
Z tego powodu zaawansowany przemysł lotniczo-kosmiczny potrzebuje trwalszych, lżejszych, bardziej wytrzymałych, odpornych na korozję i temperaturę materiałów, takich jak ceramiczny azotek krzemu.
Jest on niezbędny w produkcji silników, silników odrzutowych, podzespołów pocisków rakietowych, układów paliwowych, okien RF, łożysk kulkowych i osłon radarów samolotów.
-
Produkcja urządzeń elektronicznych: Materiał azotku krzemu ma szerokie zastosowanie w przemyśle elektronicznym i mikroelektronicznym. Jest stosowany głównie jako bariera chemiczna i izolator w różnych urządzeniach elektronicznych.
Si3N4 jest niezbędnym elementem układów scalonych (IC) i obudów ochronnych niezwykle delikatnych urządzeń elektronicznych.
Azotek krzemu działa jako warstwa pasywna i bariera dyfuzyjna w urządzeniach mikroelektronicznych. Jest stosowany jako izolator elektryczny w kondensatorach układów analogowych.
Azotek krzemu ma charakter szerokopasmowy. Dlatego znajduje zastosowanie w optycznym przetwarzaniu sygnałów, optyce biochemicznej i biomedycznej, biofotonice, transmisji danych i telekomunikacji.
-
Przemysł spawalniczy: Azotek krzemu ma liczne zastosowania w przemyśle zgrzewania oporowego, do produkcji rolek spawalniczych, zastępując tradycyjną stal. Wyjątkowa twardość, wytrzymałość i odporność na szoki termiczne sprawiły, że stał się on niezbędnym materiałem dla tej branży.
-
Przemysł biomedyczny: Azotek krzemu to idealny materiał do zastosowań biomedycznych ze względu na swoją biozgodność, właściwości antybakteryjne, sterylizację chemiczną, przezierność dla promieni rentgenowskich, niewielką wagę, odporność na zużycie i korozję oraz wytrzymałość mechaniczną.
Azotek krzemu nie powoduje skutków ubocznych po wprowadzeniu do organizmu ludzkiego ze względu na swoją biozgodność. Jego odporność na tworzenie biofilmu i rozwój bakterii zapobiega infekcjom wokół implantów.
Osteokonduktywność azotku krzemu tworzy kość. Dlatego jest on stosowany w stomatologii, implantach ortopedycznych, opiece nad ranami i urządzeniach do stabilizacji złamań.
Azotek krzemu jest stosowany jako materiał zastępczy dla kręgosłupa i stawów. Jego wyjątkowa wytrzymałość mechaniczna pozwala mu przenosić duże naprężenia i obciążenia.
-
Biosensor: Wyjątkowe właściwości mechaniczne i elektryczne azotku krzemu czynią go doskonałym materiałem dla przemysłu czujników biologicznych.
Jego zastosowanie w technologii biosensorów rozwiązało wiele problemów związanych z czułością, stabilnością i rozmiarem biosensorów optycznych. Może ono dodatkowo zwiększyć skuteczność diagnostyki in vivo i in vitro.
-
Zastosowania stomatologiczne: Amerykańskie Towarzystwo Ceramiczne określiło azotek krzemu mianem „zabójczego materiału ceramicznego” ze względu na jego właściwości antybakteryjne. Hamuje on rozwój bakterii Porphyromonas gingivalis w jamie ustnej. Bakterie te są przyczyną chorób dziąseł.
Stabilność chemiczna elementów dentystycznych z azotku krzemu zapobiega ich degradacji w środowisku jamy ustnej pod wpływem śliny, kwasów i innych substancji chemicznych. Nie reagują one ani nie korodują jak inne materiały, co zapewnia ich trwałość.
Si3N4 niszczy strukturę biologiczną bakterii i niszczy cząsteczki, DNA i białka komórek.
Służy do wytwarzania koron protetycznych, implantów stomatologicznych i elementów wzmacniających kanał korzeniowy. Korony, mosty i licówki wykonane z azotku krzemu wyglądają jak prawdziwe zęby. Implanty stomatologiczne wykonane z Si3N4 są odporne na wielokrotne tarcie z innymi zębami oraz naprężenia mechaniczne.
-
Możliwe przyszłe zastosowania: Ceramiczny krzem ma wiele możliwości zastosowania w różnych gałęziach przemysłu. Najbardziej prawdopodobne obszary to zaawansowane zastosowania w lotnictwie i kosmonautyce, energetyka jądrowa, opieka zdrowotna, biomedycyna, elektronika dużej mocy, pojazdy elektryczne, energia odnawialna i druk 3D.
Bardziej obszerne prace badawczo-rozwojowe nad materiałami z azotku krzemu wkrótce sprawią, że takie zastosowanie stanie się możliwe.
Często zadawane pytania
P1: Do czego służy azotek krzemu w produkcji matryc CMOS?
Azotek krzemu stosowany jest jako warstwa dielektryczna, bariera utleniająca, warstwa pasywacyjna, warstwa zatrzymująca trawienie, warstwa inżynierii naprężeń, przekładka i twarda maska w procesie wytwarzania matryc CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).
P2: Jaka jest praca wyjścia azotku krzemu?
Praca wyjścia materiału to minimalna energia potrzebna do usunięcia elektronu z powierzchni materiału. Praca wyjścia azotku krzemu nie jest stała i waha się od 4,2 eV do 5,2 eV. Zmienia się ona w zależności od środowiska produkcyjnego i właściwości materiału.
P3: Jakie jest zastosowanie azotku?
Materiały azotkowe są powszechnie stosowane ze względu na swoją odporność chemiczną, wysoką twardość i stabilność termiczną.
Azotki te są stosowane w elektronice, półprzewodnikach, materiałach ściernych, narzędziach tnących, powłokach ochronnych, urządzeniach emitujących światło, przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym.
P4: Jaka jest gęstość azotku krzemu?
Gęstość azotku krzemu wynosi 3,17 g/cm³ (gramów na centymetr sześcienny). W procesie produkcyjnym może się ona wahać w granicach 2,37–3,25 g/cm³. Gęstość Si3N4 jest ważnym parametrem w wielu zastosowaniach, takich jak fizyka jądrowa.
Wniosek: A więc, przyjaciele, czas na podsumowanie! Omówiliśmy ważne zastosowania azotku krzemu w różnych dziedzinach. Mam nadzieję, że lektura artykułu sprawiła Wam przyjemność i że zdobyliście wiedzę, która pomoże Wam w karierze zawodowej.
Pozostań z nami w kontakcie, aby nadal poznawać ważne materiały ceramiczne, ich właściwości i zastosowania. Dziękujemy.