Nitrido de silicona

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Nitrido de silicona


General
química fórmula	Si 3 N 4
Propiedades físicas
Estado	polvo gris sin olor
Masa molar	140,28 g/ mol
Densidad	3,44 g/cm³
Propiedades termales
La temperatura
• fusión	1900°C
entalpía
• educación	-750 kJ/mol
Propiedades ópticas
Índice de refracción	(588 nm) 2,02
Estructura
Estructura cristalina	hexagonal, trigonal, cubica
Clasificación
registro número CAS	12033-89-5
PubChem	3084099
registro Número EINECS	234-796-8
SONRISAS	N12[Si]34N5[Si]16N3[Si]25N46
InChI	InChI=1S/N4Si3/c1-5-2-6(1)3(5)7(1,2)4(5)6HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N
ChemSpider	2341213
Los datos se basan en condiciones estándar (25 °C, 100 kPa) a menos que se indique lo contrario.
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El nitruro de silicio ( tetranitrógeno trisilicio ) es un compuesto químico inorgánico binario , que es un compuesto de silicio y nitrógeno . La fórmula química es . ${\displaystyle {\mathsf {Si_{3}N_{4))))$

Propiedades

El nitruro de silicio tiene propiedades mecánicas y fisicoquímicas útiles para muchas aplicaciones . Debido al enlace de nitruro de silicio , se mejoran significativamente las propiedades operativas de los refractarios a base de carburo de silicio , periclasa , forsterita , etc.. Los refractarios con enlace de nitruro tienen una alta resistencia térmica y al desgaste , tienen una excelente resistencia al agrietamiento, así como a los ácidos , álcalis , fundidos agresivos y vapores metálicos .

Físico

La cerámica de nitruro de silicio tiene alta resistencia en un amplio rango de temperatura, conductividad térmica moderada , bajo coeficiente de expansión térmica , coeficiente de elasticidad moderadamente alto y una tenacidad a la fractura inusualmente alta para una cerámica. Esta combinación de propiedades da como resultado una excelente resistencia al choque térmico , la capacidad de soportar altas cargas a altas temperaturas manteniendo una excelente resistencia al desgaste . Debido a su baja gravedad específica, el nitruro de silicio cristalino es muy adecuado para prótesis óseas humanas [1] .

En comparación con el dióxido de silicio , el nitruro en estado amorfo tiene una mayor concentración de trampas de electrones y huecos (alrededor de 10 19 cm - 3 ), y estas trampas son relativamente profundas (alrededor de 1,5 eV ). Esto hace posible utilizar el nitruro de silicio como un dispositivo de memoria eficaz: los electrones y los huecos inyectados en él son localizados (capturados) por trampas y pueden permanecer en ellas durante unos 10 años a una temperatura de 85 °C [1] .

Además, en comparación con el óxido, el nitruro de silicio tiene una constante dieléctrica alta (alrededor de 7, mientras que el SiO 2 tiene 3,9), por lo que se utiliza en varios dispositivos como aislante [1] .

Química

El nitruro de silicio no interactúa con los ácidos nítrico , sulfúrico y clorhídrico , reacciona débilmente con el ácido fosfórico e intensamente con el ácido fluorhídrico . Descompuesto por fundidos de álcalis , óxidos y carbonatos de metales alcalinos . No interactúa con cloro hasta 900 °C, con sulfuro de hidrógeno - hasta 1000 °C, con hidrógeno - hasta 1200 °C. Con fundidos Al , Pb , Sn , Zn , Bi , Cd , Cu - no reacciona; con metales de transición forma siliciuros , con óxidos metálicos por encima de 1200°C- silicatos . La oxidación del nitruro de silicio en el aire comienza por encima de los 900 °C.

Procesamiento

Los productos de nitruro de silicio se obtienen por sinterización a altas temperaturas, prensado en caliente, pirólisis de compuestos de silicio. Los productos de alta calidad se obtienen mediante la sinterización en instalaciones gas-estáticas a alta presión en presencia de nitrógeno .

El nitruro de silicio es difícil de obtener como material único debido al hecho de que no se puede calentar por encima de 1850 ° C, que está muy por debajo del punto de fusión ( silicio y nitrógeno disociados ). Por lo tanto, el uso del método de sinterización térmica convencional ( es decir, sinterización por prensado en caliente ) es problemático. La unión del nitruro de silicio en polvo se puede lograr a temperaturas más bajas agregando materiales adicionales, que generalmente mejoran el nivel de sinterización. Una alternativa es el método de uso de la sinterización por chispa de plasma ( Spark Plasma Sintering ) [2] , donde el calentamiento es muy rápido (en segundos); donde los pulsos de corriente eléctrica pasan a través del polvo precomprimido. Mediante este método se obtuvieron productos densos hechos de nitruro de silicio a temperaturas de 1500–1700°C.

Propiedades de las modificaciones cristalinas

Átomos azules - nitrógeno, gris - silicio
trigonal α-Si 3 N 4
hexagonal β-Si 3 N 4
cúbico γ-Si 3 N 4

Hay tres estructuras cristalográficas de nitruro de silicio, denominadas α, β y γ. Las fases Α y β son las formas más comunes de nitruro de silicio y se pueden producir a presión normal. La fase Γ se puede sintetizar a altas presiones y temperaturas ya una presión de 35 GPa.

Α y β-Si 3 N 4 tienen una singonía trigonal ( símbolo de Pearson hP28, grupo espacial P31c, n.º 159) y estructuras hexagonales (hP14, P6 3 , n.º 173), respectivamente, que se construyen a partir de los ángulos de intercambio de los Tetraedros Si 3 N 4 . Pueden considerarse estructuras formadas por capas de átomos de silicio y nitrógeno en la secuencia ABAB… o ABBCABCB… en β-Si 3 N 4 y α-Si 3 N 4 , respectivamente. La capa AB se repite tanto en la fase α como en la β, mientras que la capa CD con AB en el plano de deslizamiento se repite solo en la fase α. Los tetraedros en Si 3 N 4 en forma β están interconectados de tal manera que los túneles se forman paralelos al eje de la celda unitaria. Debido al plano de deslizamiento, que va de AB a CD, la estructura α contiene vacíos en lugar de túneles. La forma cúbica de γ-Si 3 N 4 a menudo se denomina "modificación c" en la literatura, análoga a la modificación cúbica del nitruro de boro (c-BN). La forma Γ del nitruro de silicio tiene una estructura de espinela , en la que cada dos átomos de silicio se unen a seis átomos de nitrógeno , formando un octaedro , y un átomo de silicio se une a cuatro átomos de nitrógeno , formando un tetraedro.

Una secuencia de apilamiento más larga da como resultado una fase α con una mayor dureza que una fase β. Sin embargo, la fase α es químicamente inestable en comparación con la fase β. A altas temperaturas, cuando se calienta a una fase líquida , la fase α se transforma en la fase β. Así, el β-Si 3 N 4 es la principal forma utilizada en el negocio cerámico.

Propiedades de las formas α y β-Si 3 N 4 :

Para α-Si 3 N 4 : a=0,7765 nm, c=0,5622 nm, grupo espacial P31c;
Para β-Si 3 N 4 : a=0,7606 nm, c=0,2909 nm, grupo espacial P6 3 /m.
α-Si 3 N 4 se transforma en la forma β a temperaturas superiores a 1400 °C.

β-Si 3 N 4 es estable hasta 1600 °C; no se derrite

Propiedades de α-Si 3 N 4 :

Sublima intensamente con descomposición por encima de 1600 °C
Densidad : 3.192 g/cm³,
C° p : 93,01 J/(mol K),
ΔH ° arr : 787,8 kJ/mol,
S° 298 : 66,07 J/(mol K),
Conductividad térmica :
- 62,8 W/(m·K) a 300 K;
- 20,0 W/(m·K) a 1573 K,
Coeficiente de temperatura de expansión lineal : 3.4⋅10 −6 K −1 ,
Temperatura de Debye : 1140 K,
Brecha de banda : 4.0 eV,
Constante dieléctrica : 6.3-7.1,
Tangente del ángulo de pérdida dieléctrica : (5.3-9.7)⋅10 −3 ,
Dureza Vickers (carga 100 g):
- 45,3 GPa (estructura α);
- 34,8-35,8 GPa (estructura β),
Módulo de elasticidad : 298 GPa.

Uso

Al crear piezas

El nitruro de silicio se usa principalmente en estructuras donde se requiere alta resistencia y resistencia a altas temperaturas.

Se utiliza para la fabricación de crisoles , elementos de bombas, tuberías , boquillas de quemadores de gas, soportes de bloques de catalizadores, carenados de cabezas de aeronaves , ventanas radiotransparentes, como material abrasivo y aislante . Se utiliza, por ejemplo, en la creación de piezas para el paso térmico de motores de turbinas de gas y de las propias turbinas de gas , piezas de motores de automóviles, cojinetes , metalurgia , y se utiliza ampliamente en la producción de cerámica, herramientas de corte, producción de refractarios . , etc . Los refractarios con nitruro de silicio tienen alta resistencia al calor y fuerza . Se utilizan como parte integral de materiales ablativos de protección térmica , materiales refractarios de carburo de silicio , para materiales refractarios resistentes al calor, para conductores metálicos , dispositivos de vertido y dosificación para metales no ferrosos.

Aplicaciones en electrónica

El nitruro de silicio, junto con el óxido de silicio y el oxinitruro de silicio, es un material clave en los dispositivos electrónicos de silicio [1] .

Las películas delgadas de nitruro de silicio se utilizan con mayor frecuencia como capa aislante en la electrónica de silicio; El voladizo de nitruro de silicio es la parte de sondeo de un microscopio de fuerza atómica .

El nitruro de silicio también se utiliza a menudo como aislante y barrera química en la fabricación de circuitos integrados .

El nitruro de silicio se usa ampliamente en dispositivos de memoria flash como medio de almacenamiento [1] .

Aplicaciones en la construcción

Se puede utilizar como fibra en hormigón reforzado con fibra (similar a la fibra de basalto ) [3] .

Síntesis

Nitruración directa [4] :

{\displaystyle {\mathsf {3Si+2N_{2}\ {\xrightarrow {1200-1500^{o}C))\ Si_{3}N_{4))))

Nitruración termocarbonada :

{\mathsf {3SiO_{2}+6C+2N_{2}\rightarrow Si_{3}N_{4}+6CO\!\uparrow ))

El paso de silano en amoníaco da como resultado nitruro de silicio e hidrógeno :

{\mathsf {3SiH_{4}+4NH_{3}\rightarrow Si_{3}N_{4}+12H_{2}\!\uparrow ))

Al pasar dicloruro-dihidruro de silicio en amoníaco se obtiene nitruro de silicio, cloruro de hidrógeno e hidrógeno:

{\mathsf {3SiCl_{2}H_{2}+4NH_{3}\rightarrow Si_{3}N_{4}+6HCl+6H_{2}\!\uparrow ))

Deposición de vapor químico ( CVD) [5] :

{\mathsf {3SiH_{4}+4NH_{3}\rightarrow Si_{3}N_{4}+12H_{2}\!\uparrow ))

Al agregar amoníaco al sulfuro de silicio, obtenemos nitruro de silicio, hidrógeno puro y azufre en la salida :

{\mathsf {3SiS_{2}+4NH_{3}\ {\xrightarrow {1200-1450^{o}C}}\ Si_{3}N_{4}+6H_{2}\!\uparrow + 6S}}

Añadiendo amoníaco al cloruro de silicio (IV) , pasando por una corriente de argón , obtenemos nitruro de silicio y cloruro de amonio en la salida :

{\mathsf {3SiCl_{4}+16NH_{3}\ {\xrightarrow {t>400^{o}C}}\ Si_{3}N_{4}+12NH_{4}Cl}}

También se puede obtener haciendo solo dos reacciones:

${\mathsf {SiCl_{4}+8NH_{3}\ {\xrightarrow {-50^{o}C))\ Si(NH_{2})_{4}+4NH_{4}Cl))$ - la reacción tiene lugar en amoníaco líquido
${\mathsf {3Si(NH_{2})_{4}\ {\xrightarrow {t}}\ Si_{3}N_{4}+8NH_{3}\!\uparrow }}$ – descomposición térmica de la tetraamida de silicio

Historia de la materia

El nitruro de silicio se obtuvo por primera vez en 1857 por Henri St. Clair Deville y Friedrich Wöhler , pero su producción industrial activa no comenzó hasta la década de 1950. En la naturaleza, Si 3 N 4 se encontró en la década de 1990 como una pequeña inclusión en los meteoritos , y recibió su nombre de nirita en honor al físico estadounidense Alfred Nier .

Notas

↑ 1 2 3 4 5 VA Gritsenko. Estructura electrónica del nitruro de silicio // UFN . - 2012. - T. 182 . - S. 531-541 .
↑ Sinterización por plasma de chispa - Sinterización por plasma de chispa | BOEKI DE TOKIO . Fecha de acceso: 5 de octubre de 2010. Archivado desde el original el 29 de noviembre de 2014. (indefinido)
↑ 212. K. A. Saraikina, VA Shamanov Refuerzo disperso de hormigón // Boletín de PSTU. Urbanística. 2011. Nº 2.
↑ El término " nitración " usado originalmente en el artículo se usa en química orgánica para referirse a la introducción de un grupo NO 2 en una sustancia. La obtención de compuestos de un metal o no metal con nitrógeno (generalmente en la superficie, pero a veces en volumen) se denomina nitruración , con menos frecuencia, nitruración (tomado del alemán Nitrierung).
↑ Diccionario-libro de referencia sobre cerámica nueva / Shvedkov E. L., Kovensky I. I., Denisenko E. T., Zyrin A. V.; Editor gerente Trefilov V. I. - Kyiv: Naukova Dumka, 1991. - 280 p.