- بناء
- التسمية
- الخصائص
- الحالة الفيزيائية
- الوزن الجزيئي الغرامي
- نقطة الانصهار
- كثافة
- الذوبان
- الخواص الكيميائية
- خصائص أخرى
- الحصول
- التطبيقات
- فى مجال الالكترونيات
- في مواد السيراميك
- كمادة طبية حيوية
- كيف يتم تصنيع نيتريد السيليكون للطب الحيوي
- في تطبيقات مختلفة
- المراجع
و نيتريد السيليكون هو مركب غير العضوية التي تتكون من النيتروجين (N) والسيليكون (سي). صيغته الكيميائية هي Si 3 N 4. إنها مادة رمادية فاتحة أو رمادية فاتحة ذات صلابة استثنائية ومقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة.
نظرًا لخصائصه ، يتم استخدام نيتريد السيليكون في التطبيقات التي تتطلب مقاومة عالية للتآكل ودرجات حرارة عالية. على سبيل المثال ، يتم استخدامه لصنع أدوات القطع والمحامل الكروية.
كرة نيتريد السيليكون Si 3 N 4. لوكاسبوش. المصدر: ويكيميديا كومنز.
يتم استخدامه في قطع الآلات التي يجب أن تقاوم قوى ميكانيكية عالية ، مثل شفرات التوربينات ، والتي تشبه الأسطوانات الكبيرة حيث يجب أن تدور الشفرات بسرعات عالية مع مرور الماء أو الغازات ، مما ينتج الطاقة.
يتم استخدام سيراميك نيتريد السيليكون في صنع الأجزاء التي يجب أن تتلامس مع المعادن المنصهرة. يمكن استخدامها أيضًا كبديل لعظام الإنسان أو الحيوان.
يحتوي Si 3 N 4 على خصائص العزل الكهربائي ، أي أنه لا ينقل الكهرباء. لذلك يمكن استخدامه في تطبيقات الإلكترونيات الدقيقة أو في الأجهزة الإلكترونية الصغيرة جدًا.
بناء
في نيتريد السيليكون ، يتم ربط كل ذرة سيليكون (Si) تساهميًا مع 4 ذرات نيتروجين (N). والعكس صحيح ، كل ذرة نيتروجين متصلة بثلاث ذرات سيليكون.
لذلك ، فإن الروابط قوية جدًا وتعطي المركب ثباتًا عاليًا.
هيكل لويس من نيتريد السيليكون Si 3 N 4. جراسو لويجي. المصدر: ويكيميديا كومنز.
هيكل ثلاثي الأبعاد لنتريد السيليكون Si 3 N 4. الرمادي = السيليكون ؛ أزرق = نيتروجين. جراسو لويجي. المصدر: ويكيميديا كومنز.
يحتوي نيتريد السيليكون على ثلاثة هياكل بلورية: ألفا (α-Si 3 N 4) وبيتا (β-Si 3 N 4) وغاما (γ-Si 3 N 4). ألفا وبيتا هما الأكثر شيوعًا. يتم الحصول على جاما تحت ضغط ودرجات حرارة عالية وهي الأصعب.
التسمية
- نيتريد السيليكون
- تريسيليكون رباعي نيتريد
الخصائص
الحالة الفيزيائية
رمادي فاتح صلب.
الوزن الجزيئي الغرامي
140.28 جم / مول
نقطة الانصهار
1900 درجة مئوية
كثافة
3.44 جم / سم 3
الذوبان
غير قابل للذوبان في الماء. قابل للذوبان في حمض الهيدروفلوريك HF.
الخواص الكيميائية
هذا مركب مستقر للغاية ، نظرًا للطريقة التي ترتبط بها ذرات السيليكون والنيتروجين في Si 3 N 4.
نيتريد السيليكون لديه مقاومة ممتازة لأحماض الهيدروكلوريك (HCl) والكبريتيك (H 2 SO 4). كما أنها شديدة المقاومة للأكسدة. إنه مقاوم لصب الألمنيوم وسبائكه.
خصائص أخرى
لديها مقاومة جيدة للصدمات الحرارية ، والاحتفاظ العالي بالصلابة في درجات الحرارة المرتفعة ، ومقاومة ممتازة للتآكل والتآكل ، ومقاومة ممتازة للتآكل.
تتميز بصلابة استثنائية تسمح بتطبيق سمك رقيق للمواد. يحافظ على خصائصه في درجات حرارة عالية.
تعتبر أفلام نيتريد السيليكون حواجز ممتازة أمام انتشار الماء والأكسجين والمعادن ، حتى في درجات الحرارة العالية. إنها صلبة للغاية ولديها ثابت عازل مرتفع ، مما يعني أنها توصل الكهرباء بشكل سيئ ، وبالتالي تعمل كعازل كهربائي.
لكل هذه الأسباب تعتبر مادة مناسبة لتطبيقات درجات الحرارة العالية والضغط الميكانيكي العالي.
الحصول
يمكن الحصول عليها بدءًا من التفاعل بين الأمونيا (NH 3) وكلوريد السيليكون (SiCl 4) ، حيث يتم إنتاج أميد السيليكون Si (NH 2) 4 ، والذي عند تسخينه يشكل imide ثم نيتريد السيليكون Si 3 شمال 4.
يمكن تلخيص التفاعل على النحو التالي:
كلوريد السيليكون + الأمونيا ← نيتريد السيليكون + حمض الهيدروكلوريك
3 SiCl 4 (غاز) + 4 NH 3 (غاز) → Si 3 N 4 (صلب) + 12 HCl (غاز)
يتم تصنيعها أيضًا عن طريق معالجة مسحوق السيليكون المضغوط (Si) بغاز النيتروجين (N 2) عند درجات حرارة 1200-1400 درجة مئوية. ومع ذلك ، تحتوي هذه المادة على مسامية دقيقة بنسبة 20-30٪ مما يحد من قوتها الميكانيكية.
3 Si (صلب) + 2 N 2 (غاز) → Si 3 N 4 (صلب)
لذلك ، يتم تلبيد مسحوق Si 3 N 4 لتشكيل سيراميك أكثر كثافة ، وهذا يعني أن المسحوق يتعرض لضغط ودرجة حرارة عالية.
التطبيقات
فى مجال الالكترونيات
غالبًا ما يستخدم نيتريد السيليكون كطبقة تخميل أو حماية في الدوائر المتكاملة والهياكل الميكانيكية الدقيقة.
الدائرة المتكاملة عبارة عن هيكل يحتوي على المكونات الإلكترونية اللازمة لأداء بعض الوظائف. وتسمى أيضًا شريحة أو رقاقة.
نيتريد السيليكون Si 3 N 4 يستخدم في صناعة الرقائق الدقيقة. كان القائم بالتحميل الأصلي هو Zephyris في Wikipedia الإنجليزية.. المصدر: ويكيميديا كومنز.
يتمتع Si 3 N 4 بمقاومة ممتازة لانتشار الماء والأكسجين والمعادن مثل الصوديوم ، وهذا هو السبب في أنه يعمل كطبقة عازلة أو حاجز.
كما أنها تستخدم كمادة عازلة للكهرباء ، وهذا يعني أنها موصل ضعيف للكهرباء ، لذا فهي تعمل كعازل لها.
هذا يخدم التطبيقات الإلكترونية الدقيقة والفوتونية (توليد وكشف موجات الضوء). يتم استخدامه كطبقة رقيقة في الطلاءات الضوئية.
إنها المادة العازلة الأكثر شيوعًا المستخدمة في المكثفات لذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية أو DRAM (ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكي) ، وهي تلك المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر.
ذاكرة DRAM المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر أو أجهزة الكمبيوتر. قد يحتوي على نيتريد السيليكون. فيكتوروتشا. المصدر: ويكيميديا كومنز.
في مواد السيراميك
يتميز سيراميك نيتريد السيليكون بخصائص صلابة عالية ومقاومة للتآكل ، وهذا هو سبب استخدامه في تطبيقات الهندسة الترايبولوجية ، أي الاستخدامات التي يحدث فيها الكثير من الاحتكاك والتآكل.
يُظهر Dense Si 3 N 4 قوة مرنة عالية ، ومقاومة عالية للكسر ، ومقاومة جيدة للسحب أو الانزلاق ، وصلابة عالية ومقاومة ممتازة للتآكل.
كرات محمل كروي بأحجام مختلفة مصنوعة من نيتريد السيليكون. يتم استخدامها في الآلات. لوكاسبوش. المصدر: ويكيميديا كومنز.
يتم الحصول على ذلك عند معالجة نيتريد السيليكون عن طريق التلبيد في الطور السائل إضافة أكسيد الألومنيوم وأكسيد الإيتريوم (Al 2 O 3 + Y 2 O 3) عند درجات حرارة 1750-1900 درجة مئوية.
يتكون التلبيد من تعريض مسحوق مركب لضغوط ودرجات حرارة عالية للحصول على مادة أكثر كثافة وأكثر إحكاما.
يمكن استخدام سيراميك نيتريد السيليكون على سبيل المثال في معدات صهر الألومنيوم ، أي الأماكن شديدة الحرارة حيث يوجد الألمنيوم المصهور.
أنبوب للإغلاق مصنوع من سيراميك Si 3 N 4 ويستخدم في عمليات الألمنيوم المصبوب. شكرك. المصدر: ويكيميديا كومنز.
يوفر هيكل سيراميك نيتريد السيليكون فرصة عظيمة لتحسين الخصائص لتطبيقات محددة وفقًا لمتطلبات المهندسين. حتى العديد من تطبيقاته المحتملة لم تتحقق بعد.
كمادة طبية حيوية
منذ عام 1989 ، ثبت أن Si 3 N 4 مادة متوافقة حيويًا ، مما يعني أنها يمكن أن تحل محل جزء من كائن حي دون التسبب في ضرر والسماح بتجديد الأنسجة من حوله.
يتم استخدامه لتصنيع مكونات لاستبدال أو إصلاح العظام الحاملة وكذلك الأجهزة الفقرية ، أي الأشياء الصغيرة التي تسمح بإصلاح العمود الفقري.
في الاختبارات التي أجريت على عظام الإنسان أو الحيوان ، حدث الاتحاد بين العظم والغرسات أو قطع السيراميك Si 3 N 4 في وقت قصير.
يمكن إصلاح عظام جسم الإنسان أو استبدالها بأجزاء من نيتريد السيليكون. المؤلف: Com329329. المصدر: Pixabay.
نيتريد السيليكون غير سام ، فهو يفضل التصاق الخلايا ، والتكاثر الطبيعي أو تكاثر الخلايا وتمايزها أو نموها حسب نوع الخلية.
كيف يتم تصنيع نيتريد السيليكون للطب الحيوي
بالنسبة لهذا التطبيق ، سبق أن تعرض Si 3 N 4 لعملية تلبيد مع إضافات من الألومينا وأكسيد الإيتريوم (Al 2 O 3 + Y 2 O 3). يتكون هذا من تطبيق ضغط ودرجة حرارة عالية على مسحوق Si 3 N 4 بالإضافة إلى المواد المضافة.
يمنح هذا الإجراء المادة الناتجة القدرة على منع نمو البكتيريا ، وتقليل مخاطر العدوى ، وتفضيل التمثيل الغذائي الخلوي في الجسم.
وبالتالي ، فإنه يفتح إمكانية تعزيز الشفاء بشكل أسرع في أجهزة إصلاح العظام.
في تطبيقات مختلفة
يتم استخدامه في تطبيقات درجات الحرارة العالية التي تتطلب مقاومة التآكل ، مثل المحامل (الأجزاء التي تدعم حركة الدوران في الماكينات) وأدوات القطع.
كما أنها تستخدم في شفرات التوربينات (آلات تتكون من أسطوانة ذات ريش تدور عند مرور الماء أو الغاز وبالتالي تولد الطاقة) والوصلات المتوهجة (الوصلات عند درجات حرارة عالية).
محرك التوربينات أو الطائرات ، قد تحتوي شفراتها على نيتريد السيليكون. المؤلف: Lars_Nissen_Photoart. المصدر: Pixabay.
يتم استخدامه في الأنابيب الحرارية (مستشعرات درجة الحرارة) ، والبوتقات المعدنية المنصهرة ، وحاقن وقود الصواريخ.
المراجع
- قطن ، ف.ألبرت وويلكينسون ، جيفري. (1980). كيمياء غير عضوية متقدمة. طبعة رابعة. جون وايلي وأولاده.
- المكتبة الوطنية الأمريكية للطب. (2019). نيتريد السيليكون. تعافى من pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
- عميد ، جا (محرر). (1973). كتيب لانج للكيمياء. الطبعة الحادية عشرة. شركة ماكجرو هيل للكتاب.
- Zhang و JXJ و Hoshino ، K. (2019). أساسيات تصنيع النانو / التصنيع الدقيق وتأثير المقياس. في المستشعرات الجزيئية والأجهزة النانوية (الإصدار الثاني). تعافى من sciencedirect.com.
- درويت ، سي وآخرون. (2017). أنواع السيراميك. نيتريد السيليكون: مقدمة. في التقدم في المواد الحيوية الخزفية. تعافى من sciencedirect.com.
- كيتا ، هـ وآخرون. (2013). مراجعة ونظرة عامة على نيتريد السيليكون و SiAlON ، بما في ذلك تطبيقاتهما. في كتيب السيراميك المتقدم (الطبعة الثانية). تعافى من sciencedirect.com.
- Ho، HL and Iyer، SS (2001). DRAMs. قضايا سعة العقدة. في موسوعة المواد: العلوم والتكنولوجيا. تعافى من sciencedirect.com.
- تشانغ ، سي (2014). فهم التآكل والخصائص الترايبولوجية لمركبات مصفوفة السيراميك. في التقدم في مركبات المصفوفة الخزفية (الإصدار الثاني). تعافى من sciencedirect.com.