Piinitridi

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 16. joulukuuta 2016 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 10 muokkausta .

piinitridi


Kenraali
Chem. kaava	Si 3 N 4
Fyysiset ominaisuudet
Osavaltio	harmaa hajuton jauhe
Moolimassa	140,28 g/ mol
Tiheys	3,44 g/cm³
Lämpöominaisuudet
Lämpötila
• sulaminen	1900 °C
Entalpia
• koulutus	-750 kJ/mol
Optiset ominaisuudet
Taitekerroin	(588 nm) 2,02
Rakenne
Kristallirakenne	kuusikulmainen, trigonaalinen, kuutio
Luokitus
Reg. CAS-numero	12033-89-5
PubChem	3084099
Reg. EINECS-numero	234-796-8
Hymyilee	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
Tiedot perustuvat standardiolosuhteisiin (25 °C, 100 kPa), ellei toisin mainita.
Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa

Piinitridi ( tetranitrogen trisilicon ) on binaarinen epäorgaaninen kemiallinen yhdiste , joka on piin ja typen yhdiste . Kemiallinen kaava on . ${\displaystyle {\mathsf {Si_{3}N_{4))))$

Ominaisuudet

Piinitridillä on mekaanisia ja fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia , jotka ovat hyödyllisiä monissa sovelluksissa . Piinitridisidoksen ansiosta piikarbidiin , periklaasiin , forsteriittiin jne. perustuvien tulenkestävien materiaalien käyttöominaisuudet paranevat merkittävästi. Nitridisidotuilla tulenkestävällä materiaalilla on korkea lämmön- ja kulutuskestävyys , erinomainen halkeilun, samoin kuin happojen , alkalien kestävyys. , aggressiiviset sulat ja metallihöyryt .

Fyysinen

Piinitridikeramiikassa on korkea lujuus laajalla lämpötila-alueella, kohtuullinen lämmönjohtavuus , alhainen lämpölaajenemiskerroin , kohtalaisen korkea kimmokerroin ja keraamiselle epätavallisen korkea murtolujuus. Tämä ominaisuuksien yhdistelmä johtaa erinomaiseen lämpöiskun kestävyyteen , kykyyn kestää suuria kuormituksia korkeissa lämpötiloissa säilyttäen samalla erinomaisen kulutuskestävyyden . Pienen ominaispainonsa ansiosta kiteinen piinitridi soveltuu hyvin ihmisen luun proteeseihin [1] .

Amorfisessa tilassa olevalla nitridillä on piidioksidiin verrattuna suurempi elektroni- ja reikäloukkujen pitoisuus (noin 10 19 cm −3 ), ja nämä loukut ovat suhteellisen syviä (noin 1,5 eV ). Tämä mahdollistaa piinitridin käytön tehokkaana muistilaitteena: siihen ruiskutetut elektronit ja reiät lokalisoidaan (vangitaan) ansoilla ja voivat pysyä niissä noin 10 vuotta 85 °C:n lämpötilassa [1] .

Lisäksi piinitridillä on oksidiin verrattuna korkea dielektrisyysvakio (noin 7, kun taas SiO 2 :lla 3,9), joten sitä käytetään useissa laitteissa eristeenä [1] .

Kemiallinen

Piinitridi ei ole vuorovaikutuksessa typpi- , rikki- ja suolahapon kanssa, se reagoi heikosti fosforihapon ja intensiivisesti fluorivetyhapon kanssa . Hajoaa alkalimetallien sulatteiden , oksidien ja karbonaattien vaikutuksesta . Ei vuorovaikutuksessa kloorin kanssa 900 °C asti, rikkivedyn kanssa - 1000 °C asti, vedyn kanssa - 1200 °C asti. Sulojen kanssa Al , Pb , Sn , Zn , Bi , Cd , Cu - ei reagoi; siirtymämetallien kanssa muodostaa silisidejä , metallioksideilla yli 1200°C -silikaatteja . Piinitridin hapettuminen ilmassa alkaa yli 900 °C:ssa.

Käsitellään

Piinitridituotteita saadaan sintraamalla korkeissa lämpötiloissa, kuumapuristamalla ja piiyhdisteiden pyrolyysillä . Korkealaatuisia tuotteita saadaan sintraamalla kaasustaattisissa laitteistoissa korkeassa paineessa typen läsnä ollessa .

Piinitridiä on vaikea saada yhtenä materiaalina, koska sitä ei voida kuumentaa yli 1850 °C - tämä on selvästi sulamispisteen alapuolella ( pii ja typpi dissosioituvat ). Siten tavanomaisen lämpösintrausmenetelmän ( esim . kuumapuristussintraus ) käyttö on ongelmallista. Jauhemaisen piinitridin sitoutuminen voidaan saavuttaa alemmissa lämpötiloissa lisäämällä lisämateriaaleja, jotka yleensä parantavat sintraustasoa. Vaihtoehtona on kipinäplasmasintraus ( Spark Plasma Sintering ) [2] , jossa kuumeneminen on erittäin nopeaa (sekunneissa); jossa sähkövirtapulssit kulkevat esipuristetun jauheen läpi. Tällä menetelmällä saatiin tiiviitä piinitridistä valmistettuja tuotteita 1500–1700°C:n lämpötiloissa.

Kiteisten modifikaatioiden ominaisuudet

Siniset atomit - typpi, harmaa - pii
trigonaalinen α - Si3N4 _
kuusikulmainen β - Si 3N 4
kuutio γ-Si 3 N 4

Piinitridillä on kolme kristallografista rakennetta, nimeltään α, β ja γ. Α- ja β-faasit ovat piinitridin yleisimpiä muotoja, ja niitä voidaan valmistaa normaalipaineessa. Γ - faasi voidaan syntetisoida korkeissa paineissa ja lämpötiloissa ja 35 GPa:n paineessa.

Α:llä ja β-Si 3N 4 :llä on vastaavasti trigonaalinen syngonia ( Pearson-symboli hP28, avaruusryhmä P31c, nro 159) ja kuusikulmainen (hP14, P6 3 , nro 173) rakenteet, jotka on muodostettu vaihtokulmien perusteella. Si3N4 - tetraedrit . _ _ Niitä voidaan pitää rakenteina, jotka koostuvat pii- ja typpiatomien kerroksista sekvenssissä ABAB … tai ABBCABCB … β-Si 3 N 4 :ssä ja α-Si 3 N 4 :ssä, vastaavasti. AB-kerros toistetaan sekä α- että β-vaiheessa, kun taas CD, jossa on AB liukutasolla, toistetaan vain α-vaiheessa. β-muodossa olevat Si 3 N 4 -tetraedrit on kytketty toisiinsa siten, että tunnelit muodostuvat yksikkösolun akselin suuntaisesti. Johtuen liukutasosta, joka on AB:sta CD:hen, α-rakenne sisältää tunneleiden sijaan onteloita. Kuutiota y-Si3N4- muotoa kutsutaan kirjallisuudessa usein "c-modifikaatioksi", joka on analoginen boorinitridin (c-BN) kuutiomuunnoksen kanssa. Piinitridin Γ -muodolla on spinellirakenne , jossa jokainen kaksi piiatomia sitoutuu kuuteen typpiatomiin muodostaen oktaedrin ja yksi piiatomi sitoutuu neljään typpiatomiin muodostaen tetraedrin.

Pidempi pinoamisjakso johtaa α-faasiin, jonka kovuus on suurempi kuin β-faasin. α-faasi on kuitenkin kemiallisesti epästabiili p-faasiin verrattuna. Korkeissa lämpötiloissa, kun se kuumennetaan nestefaasiin , α-faasi muuttuu β-faasiksi. Siten β-Si 3 N 4 on pääasiallinen keramiikkateollisuudessa käytetty muoto.

α- ja β-Si 3 N 4 -muotojen ominaisuudet:

α-Si3N4 : lle : a = 0,7765 nm, c = 0,5622 nm, avaruusryhmä P31c;
P-Si3N4 : lle : a = 0,7606 nm, c = 0,2909 nm, avaruusryhmä P63 /m.
α-Si3N4 muuttuu β -muotoon yli 1400 °C:n lämpötiloissa .

β - Si3N4 on stabiili 1600 °C:seen asti ; ei sula.

α-Si3N4 : n ominaisuudet :

Sublimoituu intensiivisesti hajoamalla yli 1600 °C:ssa
Tiheys : 3,192 g/cm³,
C° p : 93,01 J/(mol K),
ΔH ° arr : 787,8 kJ/mol,
S° 298 : 66,07 J/(mol K),
Lämmönjohtavuus :
- 62,8 W/(m K) lämpötilassa 300 K;
- 20,0 W/(m K) lämpötilassa 1573 K,
Lineaarilaajenemisen lämpötilakerroin : 3,4⋅10 −6 K −1 ,
Debye-lämpötila : 1140 K,
Kaistaväli : 4,0 eV,
Dielektrisyysvakio : 6,3-7,1,
Dielektrisen häviökulman tangentti : (5.3-9.7)⋅10 −3 ,
Vickers-kovuus (kuorma 100 g):
- 45,3 GPa (a-rakenne);
- 34,8-35,8 GPa (β-rakenne),
Kimmomoduuli : 298 GPa.

Käyttö

Kun luot osia

Piinitridia käytetään pääasiassa rakenteissa, joissa vaaditaan suurta lujuutta ja korkeita lämpötiloja.

Sitä käytetään upokkaiden , pumppuelementtien, putkistojen , kaasupolttimien suuttimien, katalysaattorilohkojen kannatinten, lentokoneiden pään suojusten , radioläpinäkyvien ikkunoiden valmistukseen hankaavana ja eristävänä materiaalina . Sitä käytetään esimerkiksi osien luomiseen kaasuturbiinimoottorien ja itse kaasuturbiinien lämpöpolkua varten , auton moottorin osissa, laakereissa , metallintyöstyksessä , ja sitä käytetään laajalti keramiikan, leikkaustyökalujen ja tulenkestävän materiaalin valmistuksessa. jne. Tulenkestävät piinitridillä on korkea lämmönkestävyys ja lujuus . Niitä käytetään kiinteänä osana lämpöä suojaavia ablatiivisia materiaaleja , tulenkestäviä piikarbidimateriaaleja , kuumuutta kestäviä tulenkestäviä materiaaleja, metallijohtimia , ei-rautametallien kaato- ja annostelulaitteita.

Sovellukset elektroniikassa

Piinitridi, yhdessä piioksidin ja piioksinitridin kanssa, on avainmateriaali piielektroniikkalaitteissa [1] .

Piinitridiohutkalvoja käytetään useimmiten eristekerroksena piielektroniikassa; Piinitridiuloke on atomivoimamikroskoopin mittausosa .

Piinitridia käytetään usein myös eristeenä ja kemiallisena esteenä integroitujen piirien valmistuksessa .

Piinitridia käytetään laajasti flash-muistilaitteissa tallennusvälineenä [1] .

Sovellukset rakentamisessa

Voidaan käyttää kuituna kuitubetonissa (samanlainen kuin basalttikuitu ) [3] .

Synteesi

Suora nitraus [4] :

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

Termohiilinitraus : _

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

Silaanin johtaminen ammoniakkiin johtaa piinitridiin ja vetyyn :

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

Piidikloridi-dihydridin johtaminen ammoniakissa tuottaa piinitridiä, kloorivetyä ja vetyä:

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

Kemiallinen höyrypinnoitus ( CVD) [5] :

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

Lisäämällä ammoniakkia piisulfidiin saadaan piinitridiä, puhdasta vetyä ja rikkiä :

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

Lisäämällä ammoniakkia pii(IV)kloridiin , johtamalla argonvirtaan , saadaan piinitridiä ja ammoniumkloridia ulostulossa :

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

Se voidaan saada myös tekemällä vain kaksi reaktiota:

${\mathsf {SiCl_{4}+8NH_{3}\ {\xrightarrow {-50^{o}C))\ Si(NH_{2})_{4}+4NH_{4}Cl))$ - reaktio tapahtuu nestemäisessä ammoniakissa
${\mathsf {3Si(NH_{2})_{4}\ {\xrightarrow {t}}\ Si_{3}N_{4}+8NH_{3}\!\uparrow }}$ – piitetraamidin lämpöhajoaminen

Aineen historia

Henri St. Clair Deville ja Friedrich Wöhler hankkivat piinitridin ensimmäisen kerran vuonna 1857 , mutta sen aktiivinen teollinen tuotanto alkoi vasta 1950-luvulla. Luonnossa Si 3 N 4 löydettiin 1990-luvulla pienenä osana meteoriiteissa , ja se nimettiin niriitin mukaan amerikkalaisen fyysikon Alfred Nierin mukaan .

Muistiinpanot

↑ 1 2 3 4 5 V. A. Gritsenko. Piinitridin elektroninen rakenne // UFN . - 2012. - T. 182 . - S. 531-541 .
↑ Spark Plasma Sintraus - Spark Plasma Sintraus | TOKYO BOEKI . Käyttöpäivä: 5. lokakuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 29. marraskuuta 2014. (määrätön)
↑ 212. K.A. Saraikina, V.A. Shamanov Betonin hajaraudoitus // Bulletin of PSTU. Urbanistiikka. 2011. Nro 2.
↑ Artikkelissa alun perin käytettyä termiä " nitraus " käytetään orgaanisessa kemiassa viittaamaan NO 2 -ryhmän lisäämiseen aineeseen. Metalli- tai ei-metalliyhdisteiden saamista typen kanssa (yleensä pinnalla, mutta joskus tilavuudessa) kutsutaan nitridoimiseksi , harvemmin nitridoimiseksi (lainattu saksalaisesta Nitrierungista).
↑ Sanakirja-viitekirja uudesta keramiikasta / Shvedkov E. L., Kovensky I. I., Denisenko E. T., Zyrin A. V.; Toimitusjohtaja Trefilov V. I. - Kiova: Naukova Dumka, 1991. - 280 s.