ซิลิคอนไนไตรด์ (SI3N4): โครงสร้างคุณสมบัติการผลิตการใช้งาน - เคมี - 2026

ซิลิคอนไนไตรเป็นสารอนินทรีประกอบด้วยไนโตรเจน (N) และซิลิกอน (Si) สูตรทางเคมีของมันคือศรี₃ N 4 เป็นวัสดุสีเทาสว่างหรือเทาอ่อนที่มีความแข็งเป็นพิเศษและทนทานต่ออุณหภูมิสูง

เนื่องจากคุณสมบัติของซิลิกอนไนไตรด์จึงถูกใช้ในงานที่ต้องการความต้านทานต่อการสึกหรอสูงและอุณหภูมิสูง ตัวอย่างเช่นใช้ทำเครื่องมือตัดและลูกปืน

ซิลิคอนไนไตรด์ทรงกลม Si ₃ N ₄ . ลูคัสบอช. ที่มา: Wikimedia Commons

ใช้ในชิ้นส่วนของเครื่องจักรที่ต้องต้านทานแรงเชิงกลสูงเช่นใบพัดกังหันซึ่งเปรียบเสมือนกระบอกสูบขนาดใหญ่ที่ใบพัดต้องหมุนด้วยความเร็วสูงโดยมีน้ำหรือก๊าซไหลผ่านทำให้เกิดพลังงาน

เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์ใช้ทำชิ้นส่วนที่ต้องสัมผัสกับโลหะหลอมเหลว นอกจากนี้ยังสามารถใช้แทนกระดูกมนุษย์หรือสัตว์ได้

Si ₃ N ₄มีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้ากล่าวคือไม่ส่งกระแสไฟฟ้า ดังนั้นจึงสามารถใช้ในงานไมโครอิเล็กทรอนิกส์หรือในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กมาก

โครงสร้าง

ในซิลิคอนไนไตรด์แต่ละอะตอมของซิลิกอน (Si) จะถูกผูกมัดด้วยโควาเลนต์กับไนโตรเจน 4 อะตอม (N) ในทางกลับกันอะตอมของไนโตรเจนแต่ละอะตอมจะยึดติดกับอะตอมของซิลิกอน 3 อะตอม

ดังนั้นพันธะจึงแข็งแรงมากและให้สารประกอบมีความเสถียรสูง

โครงสร้างลูอิสของซิลิกอนไนไตรด์ Si ₃ N ₄ . Grasso Luigi ที่มา: Wikimedia Commons

โครงสร้างสามมิติของซิลิกอนไนไตรด์ Si ₃ N ₄ . สีเทา = ซิลิกอน; สีน้ำเงิน = ไนโตรเจน Grasso Luigi ที่มา: Wikimedia Commons

ซิลิคอนไนไตรด์มีโครงสร้างผลึก 3 แบบ ได้แก่ อัลฟา (α-Si ₃ N ₄ ) เบต้า (β-Si ₃ N ₄ ) และแกมมา (γ-Si ₃ N ₄ ) อัลฟ่าและเบต้าเป็นสิ่งที่พบบ่อยที่สุด แกมมาได้รับที่ความกดดันและอุณหภูมิสูงและยากที่สุด

ศัพท์เฉพาะ

• ซิลิคอนไนไตรด์
• ไตรซิลิกอนเตตระไนไตรด์

คุณสมบัติ

สภาพร่างกาย

สีเทาสว่างทึบ

น้ำหนักโมเลกุล

140.28 ก. / โมล

จุดหลอมเหลว

1900 ºC

ความหนาแน่น

3.44 ก. / ซม. ³

การละลาย

ไม่ละลายในน้ำ ละลายได้ในกรดไฮโดรฟลูออริก HF

คุณสมบัติทางเคมี

นี่เป็นสารประกอบที่เสถียรมากเนื่องจากอะตอมของซิลิกอนและไนโตรเจนถูกผูกมัดใน Si ₃ N ₄

ซิลิคอนไนไตรด์มีความต้านทานต่อกรดไฮโดรคลอริก (HCl) และซัลฟิวริก (H ₂ SO ₄ ) ได้ดีเยี่ยม นอกจากนี้ยังทนต่อการเกิดออกซิเดชั่นได้ดีมาก ทนต่ออลูมิเนียมหล่อและโลหะผสม

คุณสมบัติอื่น ๆ

มีความต้านทานต่อการช็อกจากความร้อนได้ดีมีความแข็งสูงที่อุณหภูมิสูงทนต่อการสึกกร่อนและการสึกหรอได้ดีเยี่ยมและทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม

มีความแข็งพิเศษที่ช่วยให้สามารถใช้วัสดุที่มีความหนาบางได้ รักษาคุณสมบัติที่อุณหภูมิสูง

ฟิล์มซิลิคอนไนไตรด์เป็นอุปสรรคที่ดีเยี่ยมในการแพร่กระจายของน้ำออกซิเจนและโลหะแม้ในอุณหภูมิสูง พวกมันแข็งมากและมีค่าคงที่เป็นฉนวนสูงซึ่งหมายความว่าพวกมันนำไฟฟ้าได้ไม่ดีจึงทำหน้าที่เป็นฉนวนไฟฟ้า

ด้วยเหตุผลทั้งหมดนี้จึงเป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงและความเค้นเชิงกลสูง

การได้รับ

สามารถหาได้โดยเริ่มจากปฏิกิริยาระหว่างแอมโมเนีย (NH ₃ ) และซิลิกอนคลอไรด์ (SiCl ₄ ) ซึ่งซิลิกอนเอไมด์ Si (NH ₂ ) _{4 ถูกสร้างขึ้น}ซึ่งเมื่อได้รับความร้อนจะก่อตัวเป็นอิไมด์จากนั้นซิลิคอนไนไตรด์ Si ₃ N 4

ปฏิกิริยาสามารถสรุปได้ดังนี้:

ซิลิคอนคลอไรด์ + แอมโมเนีย→ซิลิคอนไนไตรด์ + กรดไฮโดรคลอริก

3 SiCl ₄ (แก๊ส) + 4 NH ₃ (แก๊ส) → Si ₃ N ₄ (ของแข็ง) + 12 HCl (แก๊ส)

นอกจากนี้ยังผลิตโดยการบำบัดซิลิคอน (Si) แบบผงขนาดกะทัดรัดด้วยก๊าซไนโตรเจน (N ₂ ) ที่อุณหภูมิ 1200-1400 ° C อย่างไรก็ตามวัสดุนี้มีความเป็นจุลภาค 20-30% ซึ่งจำกัดความแข็งแรงเชิงกล

3 Si (ของแข็ง) + 2 N ₂ (แก๊ส) → Si ₃ N ₄ (ของแข็ง)

ด้วยเหตุนี้ผง Si ₃ N ₄จึงถูกเผาให้เป็นเซรามิกที่หนาแน่นขึ้นซึ่งหมายความว่าแป้งต้องอยู่ภายใต้แรงดันและอุณหภูมิสูง

การประยุกต์ใช้งาน

ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์

ซิลิคอนไนไตรด์มักใช้เป็นชั้นป้องกันหรือป้องกันในวงจรรวมและโครงสร้างทางจุลภาค

วงจรรวมคือโครงสร้างที่ประกอบด้วยส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่จำเป็นในการทำหน้าที่บางอย่าง เรียกอีกอย่างว่าชิปหรือไมโครชิป

ซิลิคอนไนไตรด์ Si ₃ N ₄ใช้ในการผลิตไมโครชิป ผู้อัปโหลดต้นฉบับคือ Zephyris ที่ English Wikipedia . ที่มา: Wikimedia Commons

Si ₃ N ₄มีความต้านทานต่อการแพร่กระจายของน้ำออกซิเจนและโลหะเช่นโซเดียมได้ดีเยี่ยมซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำหน้าที่เป็นชั้นฉนวนหรือกั้น

นอกจากนี้ยังใช้เป็นวัสดุอิเล็กทริกซึ่งหมายความว่าเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดีดังนั้นจึงทำหน้าที่เป็นฉนวนสำหรับมัน

ใช้สำหรับการใช้งานไมโครอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิก (การสร้างและตรวจจับคลื่นแสง) ใช้เป็นชั้นบาง ๆ ในการเคลือบด้วยแสง

เป็นวัสดุอิเล็กทริกที่ใช้บ่อยที่สุดในตัวเก็บประจุสำหรับหน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มแบบไดนามิกหรือ DRAM (Dynamic Random Access Memory) ซึ่งใช้ในคอมพิวเตอร์

หน่วยความจำ DRAM ที่ใช้ในคอมพิวเตอร์หรือคอมพิวเตอร์ อาจมีซิลิกอนไนไตรด์ วิคเตอร์โรชา. ที่มา: Wikimedia Commons

ในวัสดุเซรามิก

ซิลิคอนไนไตรด์เซรามิกมีคุณสมบัติที่มีความแข็งสูงและทนต่อการสึกหรอซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงถูกนำมาใช้ในงานวิศวกรรมทริโบโลยีนั่นคือใช้เมื่อเกิดแรงเสียดทานและการสึกหรอจำนวนมาก

Dense Si ₃ N ₄มีความแข็งแรงยืดหยุ่นสูงทนต่อการแตกหักสูงทนต่อการลากหรือเลื่อนได้ดีมีความแข็งสูงและทนต่อการสึกกร่อนได้ดีเยี่ยม

ลูกปืนทรงกลมขนาดต่างๆทำด้วยซิลิคอนไนไตรด์ พวกมันถูกใช้เพื่อใช้ในเครื่องจักร ลูคัสบอช. ที่มา: Wikimedia Commons

ได้รับเมื่อซิลิกอนไนไตรด์ถูกแปรรูปโดยการเผาในเฟสของเหลวโดยการเติมอลูมิเนียมออกไซด์และอิตเทรียมออกไซด์ (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ) ที่อุณหภูมิ 1750-1900 ° C

การเผาประกอบด้วยการทำให้แป้งผสมกับแรงดันและอุณหภูมิสูงเพื่อให้ได้วัสดุที่หนาแน่นขึ้นและมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น

ซิลิคอนไนไตรด์เซรามิกสามารถใช้ในอุปกรณ์ถลุงอลูมิเนียมได้เช่นในสถานที่ที่ร้อนจัดซึ่งมีอลูมิเนียมหลอมเหลวอยู่

ท่อสำหรับปิดผนึกทำจากเซรามิก Si ₃ N ₄และใช้ในกระบวนการที่มีอลูมิเนียมหล่อ Hshkrc ที่มา: Wikimedia Commons

โครงสร้างของซิลิคอนไนไตรด์เซรามิกเป็นโอกาสที่ดีในการปรับคุณสมบัติสำหรับการใช้งานเฉพาะตามความต้องการของวิศวกร แม้แต่การใช้งานที่เป็นไปได้หลายอย่างก็ยังไม่เกิดขึ้นจริง

เป็นวัสดุชีวการแพทย์

ตั้งแต่ปี 1989 เป็นที่ยอมรับว่า Si ₃ N ₄เป็นวัสดุที่เข้ากันได้ทางชีวภาพซึ่งหมายความว่าสามารถแทนที่ส่วนหนึ่งของสิ่งมีชีวิตได้โดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหายและอนุญาตให้มีการสร้างเนื้อเยื่อรอบ ๆ ขึ้นมาใหม่

ใช้ในการผลิตส่วนประกอบสำหรับการเปลี่ยนหรือซ่อมแซมกระดูกรับน้ำหนักและอุปกรณ์ intervertebral นั่นคือวัตถุขนาดเล็กที่ช่วยในการซ่อมแซมกระดูกสันหลัง

ในการทดสอบดำเนินการเกี่ยวกับกระดูกมนุษย์หรือสัตว์สหภาพระหว่างกระดูกและรากฟันเทียมหรือศรี₃ N ₄ชิ้นเซรามิกที่เกิดขึ้นในระยะเวลาอันสั้น

กระดูกของร่างกายมนุษย์สามารถซ่อมแซมหรือเปลี่ยนชิ้นส่วนของซิลิกอนไนไตรด์ได้ ผู้แต่ง: Com329329. ที่มา: Pixabay

ซิลิคอนไนไตรด์ไม่เป็นพิษช่วยส่งเสริมการยึดเกาะของเซลล์การเพิ่มจำนวนตามปกติหรือการเพิ่มจำนวนของเซลล์และความแตกต่างหรือการเติบโตตามชนิดของเซลล์

วิธีทำซิลิคอนไนไตรด์สำหรับไบโอเมดิซีน

สำหรับการใช้งานนี้ Si ₃ N ₄ต้องผ่านกระบวนการเผาด้วยสารเติมแต่งของอลูมินาและอีเทรียมออกไซด์ (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ ) ซึ่งประกอบด้วยการใช้ความดันและอุณหภูมิสูงกับผง Si ₃ N ₄บวกกับสารเติมแต่ง

ขั้นตอนนี้ทำให้วัสดุที่ได้รับสามารถป้องกันการเติบโตของแบคทีเรียลดความเสี่ยงของการติดเชื้อและส่งเสริมการเผาผลาญของเซลล์ของร่างกาย

ดังนั้นจึงเปิดโอกาสในการส่งเสริมการรักษาได้เร็วขึ้นในอุปกรณ์ซ่อมแซมกระดูก

ในการใช้งานต่างๆ

ใช้ในงานที่มีอุณหภูมิสูงซึ่งต้องการความทนทานต่อการสึกหรอเช่นตลับลูกปืน (ชิ้นส่วนที่รองรับการเคลื่อนที่แบบหมุนในเครื่องจักร) และเครื่องมือตัด

นอกจากนี้ยังใช้ในใบพัดกังหัน (เครื่องจักรที่เกิดจากกลองที่มีใบมีดที่หมุนเมื่อผ่านน้ำหรือก๊าซและทำให้เกิดพลังงาน) และการเชื่อมต่อแบบไส้ (ข้อต่อที่อุณหภูมิสูง)

เครื่องยนต์กังหันหรือเครื่องบินใบพัดอาจมีซิลิกอนไนไตรด์ ผู้แต่ง: Lars_Nissen_Photoart ที่มา: Pixabay

ใช้ในท่อเทอร์โมคัปเปิล (เซ็นเซอร์อุณหภูมิ) เบ้าหลอมโลหะหลอมเหลวและหัวฉีดเชื้อเพลิงจรวด

อ้างอิง

1. ฝ้ายเอฟอัลเบิร์ตและวิลคินสันจอฟฟรีย์ (1980) เคมีอนินทรีย์ขั้นสูง. พิมพ์ครั้งที่สี่. John Wiley & Sons
2. หอสมุดแพทยศาสตร์แห่งชาติสหรัฐอเมริกา (2019). ซิลิคอนไนไตรด์ กู้คืนจาก pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. คณบดี JA (บรรณาธิการ). (2516). คู่มือเคมีของ Lange ฉบับที่สิบเอ็ด บริษัท หนังสือ McGraw-Hill
4. Zhang, JXJ และ Hoshino, K. (2019). พื้นฐานของนาโน / ไมโครไฟเบอร์และเอฟเฟกต์สเกล ในเซนเซอร์โมเลกุลและอุปกรณ์นาโน (ฉบับที่สอง) กู้คืนจาก sciencedirect.com.
5. Drouet, C. et al. (2017) ประเภทของเซรามิก ซิลิคอนไนไตรด์: บทนำ ความก้าวหน้าทางชีววัสดุเซรามิก กู้คืนจาก sciencedirect.com.
6. Kita, H. et al. (2013) รีวิวและภาพรวมของซิลิคอนไนไตรด์และ SiAlON รวมถึงการใช้งาน ในคู่มือเครื่องเคลือบขั้นสูง (พิมพ์ครั้งที่สอง) กู้คืนจาก sciencedirect.com.
7. Ho, HL และ Iyer, SS (2001). DRAM ปัญหาความจุของโหนด ในสารานุกรมวัสดุ: วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. กู้คืนจาก sciencedirect.com.
8. จางซี. (2014). ทำความเข้าใจเกี่ยวกับการสึกหรอและคุณสมบัติทางไตรโบโลยีของคอมโพสิตเซรามิกเมทริกซ์ ความก้าวหน้าในเซรามิกเมทริกซ์คอมโพสิต (ฉบับที่สอง) กู้คืนจาก sciencedirect.com.