Нитрид кремния — прочный и долговечный керамический материал со многими уникальными характеристиками. Он имеет широкое применение во многих промышленных инструментах и оборудовании.
Наиболее эффективно нитрид кремния применяется в автомобильной промышленности, аэрокосмической технике, производстве подшипников, электронной промышленности, биомедицинском оборудовании, зубных имплантатах и т. д.
Выдающиеся физические и химические свойства сделали его лучшей заменой традиционным материалам в этих областях. Давайте углубимся и подробно рассмотрим использование нитрида кремния.
Что такое нитрид кремния?
Нитрид кремния — термодинамически стабильное, твёрдое, химически инертное, белого цвета, неметаллическое химическое соединение. Состоит из трёх атомов кремния и четырёх атомов азота. Формула нитрида кремния — Si3N4. Это один из важнейших промышленных нитридов.
Нитрид кремния производится путем химической реакции порошкообразного кремния, находящегося в атмосфере азота при температуре около 1400 градусов по Цельсию. Химическая реакция выглядит следующим образом:
3Si+ 2N2= Si3N4
Это соединение было впервые получено в 1857 году, а первый синтетический нитрид кремния был получен Девилем и Вёлером спустя два года после его появления в 1859 году.
В 1970-х годах его использовали в качестве конструкционной керамики, а в 1980-х годах — в двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах.
Свойства, обработка и синтез Si3N4 широко изучались в течение нескольких лет после этого. В результате коммерческое использование нитрида кремния значительно возросло в последние годы.
Существуют различные типы материалов на основе нитрида кремния, такие как:
-
RBSN (реакционно-связанный нитрид кремния),
-
HPSN (горячепрессованный нитрид кремния),
-
SRBSN (спеченный реакционно-связанный нитрид кремния),
-
SSN (спеченный нитрид кремния), PSSN (спеченный нитрид кремния под парциальным давлением)
-
и HIPSN (горячий изостатически прессованный нитрид кремния).
Основные свойства нитрида кремния: Керамика из нитрида кремния обладает удивительными свойствами, которые делают ее пригодной для различных передовых инженерных приложений. Изучение этих свойств поможет вам понять ее применение. Основные свойства нитрида кремния:
-
Низкая плотность
-
Высокая механическая прочность и ударная вязкость
-
Высокая стойкость к тепловому удару
-
Отличная термическая стабильность
-
Отличная износостойкость
-
Низкий коэффициент теплового расширения
-
Превосходная стойкость к тепловому удару
-
Хорошая стойкость к окислению
-
И вязкость разрушения.
Основные области применения нитрида кремния в современных отраслях промышленности:
Нитрид кремния является одним из наиболее используемых конструкционных керамических материалов для различного оборудования, приборов и деталей. Наиболее влиятельные применения нитрида кремния:
-
Производство двигателей: Нитрид кремния широко используется в производстве различных поршневых двигателей, двигателей с искровым зажиганием и деталей дизельных двигателей. Он также используется в автомобильной промышленности, где отказ не является серьезным.
Детали дизельного двигателя, изготовленные из нитрида кремния, — это свечи накаливания, камеры предварительного сгорания (или вихревые камеры) и турбокомпрессоры. Турбокомпрессор дизельного двигателя SiN4 имеет меньшую инерцию, что снижает задержку двигателя и выбросы выхлопных газов.
Детали двигателя с искровым зажиганием из нитрида кремния — это коромысловые накладки, турбокомпрессоры и клапаны управления выхлопными газами. Этот клапан управления выхлопными газами увеличивает ускорение, а коромысловая накладка снижает износ двигателя.
-
Подшипниковая промышленность: Полностью уплотненный материал из нитрида кремния износостойкий, менее фрикционный, очень жесткий и стабильный при высоких температурах. Поэтому HPSN (горячепрессованный нитрид кремния) обычно используется в производстве подшипников. Эти плотные Si3N4 повышают эксплуатационные характеристики шариковых и роликовых подшипников без смазки.
Керамический подшипник не подвержен влиянию электрических полей, магнитных полей и коррозии. Эти подшипники имеют более длительный срок службы, более высокую коррозионную стойкость и лучшую скорость, чем обычные материалы, такие как стальные подшипники. Керамические подшипники используются в машинах и соединениях, где запрещены металлические подшипники.
Большинство подшипников из нитрида кремния представляют собой гибридные шарикоподшипники со стальными дорожками качения и керамическими шариками. Такие гибридные подшипники используются в вакуумных насосах, стоматологических бормашинах и шпинделях станков.
-
Аэрокосмическая промышленность: Традиционные материалы, такие как композиты и металлы, уже давно используются в производстве самолетов. Однако они неустойчивы к экстремальным температурам, давлению и коррозии гиперзвуковых летательных аппаратов.
Поэтому передовая аэрокосмическая промышленность нуждается в более прочных, легких, высокопрочных, коррозионно-стойких, термостойких и стабильных материалах, таких как керамика.
Механическая прочность и надежность керамического нитрида кремния делают его пригодным для окон RF, шарикоподшипников и обтекателей. Для широкого использования материала в аэрокосмической отрасли требуются дополнительные исследования, разработки и кастомизация.
-
Производство электронных приборов: Нитрид кремния обладает уникальными электрическими свойствами, что делает его популярным материалом для микроэлектронной промышленности в качестве химического барьера и изолятора. Он используется в интегральных схемах (ИС) и защитной упаковке высокочувствительных электронных устройств.
Нитрид кремния не вступает в химические реакции с ионами натрия и водой. Он выполняет функцию пассивного слоя и диффузионного барьера в микроэлектронных устройствах.
Керамический нитрид кремния также используется в качестве электрического изолятора в конденсаторах аналогового чипа. Он имеет применение в оптической обработке сигналов, биохимической и биомедицинской оптике, биофотонике, передаче данных и телекоммуникациях благодаря своей широкополосной природе.
-
Сварочная промышленность: Нитрид кремния si3n4 заменяет обычную сталь в электросварке сопротивлением. Сварочные ролики из нитрида кремния пользуются популярностью в сварочной промышленности. Твердость, прочность и стойкость к тепловому удару сделали его необходимым материалом для этой отрасли.
Сварочные инструменты из нитрида кремния эффективны, долговечны и требуют меньшего ухода, чем другие металлические инструменты. Если вы хотите усовершенствовать свое сварочное оборудование, используйте продукцию Si3N4.
-
Биомедицинская промышленность: Нитрид кремния обладает особыми свойствами, такими как биосовместимость, антибактериальные характеристики, химическая стерилизация, рентгенопрозрачность, легкость, износостойкость и коррозионная стойкость, а также механическая прочность. Эти свойства сделали его идеальным материалом для биомедицинского использования.
Биосовместимость гарантирует, что нитрид кремния не проявляет никаких побочных эффектов при внедрении в организм человека. Он обладает превосходной устойчивостью к образованию биопленки и росту бактерий, что предотвращает инфекции вокруг имплантатов.
Остеопроводимость нитрида кремния помогает формировать кость. Вот почему этот материал используется в стоматологических, ортопедических имплантатах и для лечения ран. Он также используется в устройствах для фиксации переломов.
Исключительная механическая прочность нитрида кремния позволяет выдерживать высокие напряжения и большие нагрузки в качестве замены позвоночника и суставов. Устойчивость к износу и коррозии обеспечивает долговечность имплантатов. Он также снижает возможность высвобождения ионов и мусора в организме.
Рентгенопрозрачность нитрида кремния позволяет улучшить послеоперационный мониторинг с помощью рентгена и КТ. Поскольку он не препятствует этим процессам визуализации, как металлические имплантаты.
В конце концов, элементы из нитрида кремния помогают медицинским работникам более эффективно выявлять и лечить потенциальные осложнения.
-
Биосенсор: Применение нитрида кремния в биосенсорной технологии решило проблемы, связанные с чувствительностью, стабильностью и размерами оптических биосенсоров.
Он может дополнительно повысить эффективность диагностики in vivo и in vitro. Механические и электрические свойства нитрида кремния высшего качества сделали его превосходным материалом для биосенсорной промышленности.
-
Применение в стоматологии: Различные важные свойства сделали Si3N4 идеальным материалом для использования в стоматологии.
Американское керамическое общество назвало нитрид кремния «убийственным керамическим материалом» за его антибактериальные свойства. Он может подавлять бактерии porphyromonas gingivalis, которые размножаются в полости рта. Эти бактерии являются причиной заболеваний десен.
Нитрид кремния может разрушить биологическую структуру бактерий и нанести им вред, разрушая молекулы, ДНК и белки клеток.
Зубные коронки, мосты и виниры, изготовленные из нитрида кремния, выглядят как настоящие зубы. Эти зубные элементы Si3N4 выдерживают многократный контакт с другими зубами и механическое напряжение.
Химическая стабильность зубных элементов из нитрида кремния препятствует их деградации в ротовой среде от слюны, кислот и других химикатов. Они не реагируют и не корродируют, как материалы, и обеспечивают долговечность.
-
Возможные варианты использования в будущем: Существуют огромные шансы использования керамического нитрида кремния в различных отраслях промышленности. Наиболее вероятными областями являются передовые аэрокосмические приложения, ядерная энергетика, здравоохранение, биомедицина, мощная электроника, электромобили, возобновляемая энергия и 3D-печать.
Более обширные исследования и разработки материалов на основе нитрида кремния вскоре сделают такое использование возможным.
Часто задаваемые вопросы
Некоторые часто задаваемые вопросы помогут вам узнать больше о применении нитрида кремния. Наиболее распространенные вопросы по теме:
В1: Каково применение нитрида кремния в производстве КМОП?
Нитрид кремния используется в качестве диэлектрического слоя, окислительного барьера, пассивирующего слоя, слоя, препятствующего травлению, материала для стресс-инжиниринга, разделительного материала, твердой маски и т. д. в производстве КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник).
В2: Какова работа выхода нитрида кремния?
Работа выхода материала означает минимальную энергию, необходимую для перемещения электрона с поверхности материала. Работа выхода нитрида кремния не является фиксированной. Она меняется в зависимости от производственной среды и свойств материала.
Работа выхода нитрида кремния составляет от 4,2 эВ до 5,2 эВ.
В3: Каковы области применения нитрида?
Нитридные материалы широко используются благодаря своей химической стойкости, высокой твердости и термической стабильности. Некоторые из наиболее используемых нитридных материалов — это нитрид кремния, нитрид бора, нитрид лития, нитрид титана и нитрид галлия.
Эти нитриды используются в электронике, полупроводниках, абразивах, режущих инструментах, защитных покрытиях, светоизлучающих устройствах, аэрокосмической и автомобильной промышленности.
В4: Какова плотность нитрида кремния?
Плотность нитрида кремния составляет 3,17 г/см3 (грамм на кубический сантиметр). Она может варьироваться от 2,37 до 3,25 г/см3 для производственного процесса. Плотность Si3N4 является важным параметром для многих приложений, таких как ядерная физика.
Заключение: Итак, друзья, пришло время подвести итоги! Мы рассмотрели важные применения нитрида кремния в разных областях. Надеюсь, вам понравилась статья, и вы почерпнули знания, которые помогут вам в профессиональной деятельности.
Пожалуйста, оставайтесь с нами на связи, чтобы продолжить узнавать о важных керамических материалах, их свойствах и применении. Спасибо