Silicon nitride là một vật liệu gốm đặc biệt với những tính chất và ứng dụng đặc biệt trong các ngành công nghiệp hiện đại. Trong số đó, những ứng dụng có tác động mạnh mẽ nhất nằm ở ngành công nghiệp ô tô, kỹ thuật hàng không vũ trụ, sản xuất vòng bi, điện tử, y sinh và cấy ghép nha khoa.
Si3N4 đã làm cho nhiều thiết bị và máy móc trở nên hiệu quả hơn và bền hơn trước.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá những ứng dụng của silicon nitride trong các ngành công nghiệp hiện đại. Hãy cùng tìm hiểu sâu hơn nhé.
Silicon Nitride là gì?
Silic nitrua (Si3N4) là một vật liệu gốm phi kim loại, rắn, màu trắng, trơ về mặt hóa học, ổn định về mặt nhiệt động lực học. Nó được tạo ra bằng phản ứng hóa học giữa bột silic được giữ trong khí quyển nitơ ở nhiệt độ khoảng 1400 độ C. Phản ứng hóa học xảy ra trong silic nitrua là:
3Si + 2N2 = Si3N4
Các loại vật liệu gốc silicon nitride khác nhau được sử dụng cho các mục đích khác nhau. Mỗi loại có tính chất và hiệu suất khác nhau. Sau đây là một số dạng vật liệu Si3N4 được sử dụng phổ biến nhất:
-
RBSN (silicon nitride liên kết phản ứng)
-
HPSN (silicon nitride ép nóng)
-
SRBSN (silicon nitride liên kết phản ứng thiêu kết)
-
SSN (silicon nitride thiêu kết)
-
PSSN (silicon nitride thiêu kết áp suất riêng phần)
-
và HIPSN (silicon nitride ép đẳng tĩnh nóng).
Tính chất chính của Silic Nitride (Si3N4): Vật liệu gốm Si3N4 có nhiều đặc tính nổi bật, phù hợp cho nhiều ứng dụng kỹ thuật và công nghiệp hiệu suất cao. Các đặc tính chính của silicon nitride là:
-
Mật độ thấp khoảng 3,21 g/cm3
-
Độ bền cơ học cao
-
Độ bền gãy cao khoảng 7 MPam1/2
-
Khả năng chống sốc nhiệt cao gần 569 K
-
Độ ổn định nhiệt và khả năng chống mài mòn tuyệt vời
-
Hệ số giãn nở nhiệt thấp
-
Khả năng chống sốc nhiệt vượt trội
-
Khả năng chống oxy hóa tốt
-
Và độ bền gãy vượt trội.
Những ứng dụng hàng đầu của Silicon Nitride trong các ngành công nghiệp hiện đại:
-
Sản xuất động cơ: Silicon nitride được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nhiều loại động cơ piston, động cơ đánh lửa bằng bugi, động cơ ô tô và động cơ diesel.
Nhiều bộ phận động cơ cũng được làm từ nó, chẳng hạn như bugi sấy động cơ diesel, buồng đốt trước (hoặc buồng xoáy), bộ tăng áp, má phanh động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện và van điều khiển khí thải.
-
Ngành công nghiệp vòng bi: Vật liệu silicon nitride được nén chặt hoàn toàn có khả năng chống mài mòn, mịn, độ cứng cao và ổn định ở nhiệt độ cao.
Do đó, HPSN (silicon nitride ép nóng) thường được sử dụng trong sản xuất vòng bi. Các hạt Si3N4 đặc này giúp tăng cường hiệu suất vận hành của vòng bi bi và vòng bi lăn không cần bôi trơn.
Vòng bi gốm Si3N4 không bị ảnh hưởng bởi điện trường, từ trường hay sự ăn mòn. Loại vòng bi này có độ bền cao, khả năng chống ăn mòn cao và tốc độ nhanh như vòng bi thép.
Hầu hết các ổ trục Si3N4 là ổ bi lai với rãnh thép và bi gốm. Các ổ bi lai này được sử dụng cho máy bơm chân không, máy khoan nha khoa và trục chính máy công cụ.
-
Ngành hàng không vũ trụ: Các vật liệu thông thường như vật liệu composite và kim loại đã được sử dụng trong sản xuất máy bay từ lâu. Những vật liệu này không bền vững trong điều kiện nhiệt độ, áp suất và ăn mòn khắc nghiệt của các phương tiện bay siêu thanh.
Vì lý do này, ngành hàng không vũ trụ tiên tiến đòi hỏi những vật liệu bền hơn, nhẹ hơn, có độ bền cao hơn, chống ăn mòn và chịu nhiệt tốt hơn như gốm silicon nitride.
Đây là vật liệu thiết yếu trong sản xuất động cơ, động cơ đẩy, linh kiện tên lửa, hệ thống nhiên liệu, cửa sổ RF, ổ bi và vòm radar của máy bay.
-
Sản xuất thiết bị điện tử: Vật liệu silicon nitride có ứng dụng rộng rãi trong ngành điện tử và vi điện tử. Nó chủ yếu được sử dụng làm lớp chắn hóa học và chất cách điện trong các thiết bị điện tử khác nhau.
Si3N4 là thành phần thiết yếu của Mạch tích hợp (IC) và lớp bao bọc bảo vệ các thiết bị điện tử có độ nhạy cao.
Silicon nitride hoạt động như một lớp thụ động và rào cản khuếch tán trong các thiết bị vi điện tử. Nó được sử dụng như một chất cách điện trong tụ điện của chip analog.
Silicon nitride có bản chất băng thông rộng. Đó là lý do tại sao nó được ứng dụng trong xử lý tín hiệu quang, quang học sinh hóa và y sinh, quang sinh học, truyền thông dữ liệu và viễn thông.
-
Ngành hàn: Silicon nitride có nhiều ứng dụng trong ngành hàn điện trở để chế tạo con lăn hàn, thay thế thép truyền thống. Độ cứng, độ bền và khả năng chống sốc nhiệt cực cao đã khiến nó trở thành vật liệu thiết yếu cho ngành công nghiệp này.
-
Ngành công nghiệp y sinh: Silicon nitride là vật liệu lý tưởng cho mục đích y sinh do có tính tương thích sinh học, đặc tính kháng khuẩn, khử trùng bằng hóa chất, độ trong suốt, trọng lượng nhẹ, khả năng chống mài mòn và ăn mòn, cũng như độ bền cơ học.
Silicon nitride không gây ra tác dụng phụ khi được cấy ghép vào cơ thể người nhờ tính tương thích sinh học. Khả năng chống lại sự hình thành màng sinh học và sự phát triển của vi khuẩn giúp ngăn ngừa nhiễm trùng xung quanh vùng cấy ghép.
Tính dẫn xương của silicon nitride tạo nên xương. Do đó, nó được sử dụng trong nha khoa, cấy ghép chỉnh hình, chăm sóc vết thương và dụng cụ cố định gãy xương.
Silicon nitride được sử dụng để thay thế cột sống và khớp. Độ bền cơ học vượt trội của nó cho phép chịu được áp lực cao và tải trọng nặng.
-
Cảm biến sinh học: Các tính chất cơ học và điện vượt trội của silicon nitride đã khiến nó trở thành vật liệu tuyệt vời cho ngành công nghiệp cảm biến sinh học.
Việc sử dụng nó trong công nghệ cảm biến sinh học đã giải quyết được nhiều vấn đề liên quan đến độ nhạy, độ ổn định và kích thước của cảm biến sinh học quang học. Nó có thể phát triển hơn nữa hiệu quả của chẩn đoán in vivo và in vitro.
-
Công dụng trong nha khoa: Hiệp hội Gốm sứ Hoa Kỳ đã gọi silicon nitride là "vật liệu gốm sát thủ" nhờ đặc tính kháng khuẩn. Nó ức chế vi khuẩn Porphyromonas gingivalis sinh sôi trong khoang miệng. Đây là nguyên nhân gây ra bệnh nướu răng.
Tính ổn định hóa học của các thành phần nha khoa silicon nitride giúp chúng chống lại sự phân hủy trong môi trường miệng do nước bọt, axit và các hóa chất khác. Chúng không phản ứng hoặc ăn mòn như các vật liệu khác, đảm bảo độ bền lâu dài.
Si3N4 phá vỡ cấu trúc sinh học của vi khuẩn và phá hủy các phân tử, DNA và protein của tế bào.
Vật liệu này được sử dụng để chế tạo mão răng giả, implant nha khoa và các bộ phận gia cố ống tủy. Mão răng, cầu răng và mặt dán sứ làm từ silicon nitride trông giống hệt răng thật. Những implant nha khoa làm từ silicon nitride này có thể chịu được ma sát lặp đi lặp lại với các răng khác và chịu được áp lực cơ học.
-
Những ứng dụng có thể có trong tương lai: Silicon gốm có nhiều tiềm năng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Các lĩnh vực tiềm năng nhất bao gồm các ứng dụng hàng không vũ trụ tiên tiến, năng lượng hạt nhân, chăm sóc sức khỏe, y sinh, điện tử công suất cao, xe điện, năng lượng tái tạo và in 3D.
Việc nghiên cứu và phát triển sâu rộng hơn về vật liệu silicon nitride sẽ sớm giúp ứng dụng này trở thành hiện thực.
Câu hỏi thường gặp
Câu hỏi 1: Ứng dụng của silicon nitride trong chế tạo CMOS là gì?
Silicon nitride được sử dụng làm lớp điện môi, lớp chắn oxy hóa, lớp thụ động, lớp ngăn ăn mòn, kỹ thuật ứng suất, lớp đệm và mặt nạ cứng trong chế tạo CMOS (Kim loại-Ôxít-Bán dẫn bổ sung).
Câu 2: Công thoát của silic nitrua là gì?
Công thoát của vật liệu là năng lượng tối thiểu cần thiết để di chuyển một electron khỏi bề mặt vật liệu. Công thoát của silic nitrua không cố định và dao động trong khoảng từ 4,2 eV đến 5,2 eV. Nó thay đổi tùy thuộc vào môi trường sản xuất và các tính chất vật liệu.
Câu 3: Nitrua có công dụng gì?
Vật liệu nitride được sử dụng rộng rãi vì khả năng chống hóa chất, độ cứng cao và độ ổn định nhiệt.
Các nitrua này được sử dụng trong điện tử, chất bán dẫn, chất mài mòn, dụng cụ cắt, lớp phủ bảo vệ, thiết bị phát sáng, hàng không vũ trụ và ngành công nghiệp ô tô.
Câu 4: Mật độ của silic nitrua là bao nhiêu?
Mật độ của silicon nitride là 3,17 g/cm3 (gam trên centimet khối). Mật độ này có thể dao động từ 2,37 đến 3,25 g/cm3 trong quá trình sản xuất. Mật độ của Si3N4 là một thông số quan trọng cho nhiều ứng dụng, chẳng hạn như vật lý hạt nhân.
Phần kết luận: Vậy, các bạn ơi, đã đến lúc tổng kết lại! Chúng ta đã thảo luận về những ứng dụng quan trọng của silicon nitride trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Hy vọng bạn đã thích bài viết này và thu thập được những kiến thức hữu ích cho sự nghiệp chuyên môn của mình.
Hãy tiếp tục kết nối với chúng tôi để tìm hiểu thêm về các vật liệu gốm quan trọng, đặc tính và ứng dụng của chúng. Cảm ơn bạn.