- Structure
- Nomenclature
- Propriétés
- État physique
- Poids moléculaire
- Point de fusion
- Densité
- Solubilité
- Propriétés chimiques
- Autres propriétés
- Obtention
- Applications
- Dans le domaine de l'électronique
- En matériaux céramiques
- En tant que matériau biomédical
- Comment est fabriqué le nitrure de silicium pour la biomédecine
- Dans diverses applications
- Références
Le nitrure de silicium est un composé inorganique constitué d'azote (N) et de silicium (Si). Sa formule chimique est Si 3 N 4. C'est un matériau gris clair ou gris clair d'une dureté et d'une résistance exceptionnelles aux températures élevées.
En raison de ses propriétés, le nitrure de silicium est utilisé dans des applications où une résistance élevée à l'usure et aux températures élevées est requise. Par exemple, il est utilisé pour fabriquer des outils de coupe et des roulements à billes.
Sphère de nitrure de silicium Si 3 N 4. Lucasbosch. Source: Wikimedia Commons.
Il est utilisé dans des pièces de machines qui doivent résister à des forces mécaniques élevées, telles que les aubes de turbine, qui sont comme de grands cylindres où les aubes doivent tourner à des vitesses élevées avec le passage de l'eau ou des gaz, produisant de l'énergie.
Les céramiques au nitrure de silicium sont utilisées pour fabriquer des pièces qui doivent entrer en contact avec des métaux fondus. Ils peuvent également être utilisés en remplacement des os humains ou animaux.
Si 3 N 4 a des propriétés d'isolation électrique, c'est-à-dire qu'il ne transmet pas d'électricité. Par conséquent, il peut être utilisé dans des applications microélectroniques ou dans de très petits appareils électroniques.
Structure
Dans le nitrure de silicium, chaque atome de silicium (Si) est lié de manière covalente aux 4 atomes d'azote (N). Vice versa, chaque atome d'azote est lié aux 3 atomes de silicium.
Par conséquent, les liaisons sont très fortes et confèrent au composé une stabilité élevée.
Structure de Lewis du nitrure de silicium Si 3 N 4. Grasso Luigi. Source: Wikimedia Commons.
Structure tridimensionnelle du nitrure de silicium Si 3 N 4. Gris = silicium; bleu = azote. Grasso Luigi. Source: Wikimedia Commons.
Le nitrure de silicium a trois structures cristallines: alpha (α-Si 3 N 4), bêta (β-Si 3 N 4) et gamma (γ-Si 3 N 4). Alpha et bêta sont les plus courants. Le gamma est obtenu à des pressions et des températures élevées et est le plus dur.
Nomenclature
- Nitrure de silicium
- Tétranitrure de trisilicium
Propriétés
État physique
Gris clair uni.
Poids moléculaire
140,28 g / mol
Point de fusion
1900 ºC
Densité
3,44 g / cm 3
Solubilité
Insoluble dans l'eau. Soluble dans l'acide fluorhydrique HF.
Propriétés chimiques
C'est un composé très stable, en raison de la façon dont les atomes de silicium et d'azote sont liés dans Si 3 N 4.
Le nitrure de silicium a une excellente résistance aux acides chlorhydrique (HCl) et sulfurique (H 2 SO 4). Il est également très résistant à l'oxydation. Il résiste à la fonte d'aluminium et à ses alliages.
Autres propriétés
Il présente une bonne résistance aux chocs thermiques, une rétention élevée de la dureté à des températures élevées, une excellente résistance à l'érosion et à l'usure et une excellente résistance à la corrosion.
Il a une dureté exceptionnelle qui permet l'application de fines épaisseurs de matériau. Il conserve ses propriétés à des températures élevées.
Les films de nitrure de silicium sont d'excellentes barrières à la diffusion de l'eau, de l'oxygène et des métaux, même à des températures élevées. Ils sont très durs et ont une constante diélectrique élevée, ce qui signifie qu'ils conduisent mal l'électricité, agissant ainsi comme un isolant électrique.
C'est pour toutes ces raisons qu'il s'agit d'un matériau adapté aux applications à haute température et à fortes contraintes mécaniques.
Obtention
Il peut être obtenu à partir de la réaction entre l'ammoniac (NH 3) et le chlorure de silicium (SiCl 4), dans laquelle est produit l'amidure de silicium Si (NH 2) 4 qui, lorsqu'il est chauffé, forme un imide puis le nitrure de silicium Si 3 N 4.
La réaction peut être résumée comme suit:
Chlorure de silicium + ammoniac → nitrure de silicium + acide chlorhydrique
3 SiCl 4 (gaz) + 4 NH 3 (gaz) → Si 3 N 4 (solide) + 12 HCl (gaz)
Il est également fabriqué en traitant du silicium en poudre compact (Si) avec de l'azote gazeux (N 2) à des températures de 1200-1400 ° C. Cependant, ce matériau présente une microporosité de 20 à 30% qui limite sa résistance mécanique.
3 Si (solide) + 2 N 2 (gaz) → Si 3 N 4 (solide)
Pour cette raison, la poudre de Si 3 N 4 est frittée pour former une céramique plus dense, ce qui signifie que la poudre est soumise à une pression et une température élevées.
Applications
Dans le domaine de l'électronique
Le nitrure de silicium est souvent utilisé comme couche de passivation ou de protection dans les circuits intégrés et les structures micromécaniques.
Un circuit intégré est une structure qui contient les composants électroniques nécessaires pour exécuter une fonction. Il est également appelé puce ou micropuce.
Le nitrure de silicium Si 3 N 4 est utilisé dans la fabrication de micropuces. L'éditeur original était Zephyris sur Wikipedia anglais.. Source: Wikimedia Commons.
Si 3 N 4 présente une excellente résistance à la diffusion de l'eau, de l'oxygène et des métaux tels que le sodium, c'est pourquoi il sert de couche isolante ou de barrière.
Il est également utilisé comme matériau diélectrique, cela signifie qu'il est un mauvais conducteur d'électricité, il agit donc comme un isolant pour cela.
Cela sert pour les applications microélectroniques et photoniques (génération et détection d'ondes lumineuses). Il est utilisé en couche mince dans les revêtements optiques.
C'est le matériau diélectrique le plus couramment utilisé dans les condensateurs pour la mémoire vive dynamique ou DRAM (Dynamic Random Access Memory), qui sont ceux utilisés dans les ordinateurs.
Mémoire DRAM utilisée dans les ordinateurs ou ordinateurs. Peut contenir du nitrure de silicium. Victorrocha. Source: Wikimedia Commons.
En matériaux céramiques
La céramique au nitrure de silicium a des propriétés de dureté et de résistance à l'usure élevées, c'est pourquoi elle est utilisée dans les applications d'ingénierie tribologique, c'est-à-dire dans les utilisations où il y a beaucoup de frottement et d'usure.
Le Si 3 N 4 dense présente une résistance à la flexibilité élevée, une résistance élevée à la fracture, une bonne résistance à l'entraînement ou au glissement, une dureté élevée et une excellente résistance à l'érosion.
Sphères à billes de différentes tailles en nitrure de silicium. Ils sont utilisés pour les machines. Lucasbosch. Source: Wikimedia Commons.
Ceci est obtenu lorsque le nitrure de silicium est traité par frittage en phase liquide en ajoutant de l'oxyde d'aluminium et de l'oxyde d'yttrium (Al 2 O 3 + Y 2 O 3) à des températures de 1750 à 1900 ° C.
Le frittage consiste à soumettre une poudre composée à des pressions et des températures élevées pour obtenir un matériau plus dense et plus compact.
La céramique au nitrure de silicium peut être utilisée par exemple dans les équipements de fusion d'aluminium, c'est-à-dire les endroits très chauds où l'aluminium fondu est présent.
Tube de scellement en céramique Si 3 N 4 et utilisé dans les processus avec de la fonte d'aluminium. Hshkrc. Source: Wikimedia Commons.
La structure de la céramique au nitrure de silicium offre une excellente opportunité d'optimiser les propriétés pour des applications spécifiques en fonction des demandes des ingénieurs. Même nombre de ses applications potentielles ne se sont pas encore concrétisées.
En tant que matériau biomédical
Depuis 1989, il a été établi que Si 3 N 4 est un matériau biocompatible, ce qui signifie qu'il peut remplacer une partie d'un organisme vivant sans causer de dommages et permettre la régénération du tissu qui l'entoure.
Il est utilisé pour fabriquer des composants pour le remplacement ou la réparation d'os porteurs et également des dispositifs intervertébraux, c'est-à-dire de petits objets permettant de réparer la colonne vertébrale.
Lors d'essais réalisés sur des os humains ou animaux, l'union entre l'os et les implants ou des pièces de céramique Si 3 N 4 s'est produite en peu de temps.
Les os du corps humain peuvent être réparés ou remplacés par des parties de nitrure de silicium. Auteur: Com329329. Source: Pixabay.
Le nitrure de silicium est non toxique, il favorise l'adhésion cellulaire, la prolifération normale ou la multiplication des cellules et leur différenciation ou croissance par type cellulaire.
Comment est fabriqué le nitrure de silicium pour la biomédecine
Pour cette application, Si 3 N 4 est préalablement soumis à un procédé de frittage avec des additifs d'alumine et d'oxyde d'yttrium (Al 2 O 3 + Y 2 O 3). Cela consiste à appliquer une pression et une température élevée à la poudre de Si 3 N 4 plus les additifs.
Cette procédure donne au matériau résultant la capacité d'empêcher la croissance bactérienne, de réduire le risque d'infection et de favoriser le métabolisme cellulaire du corps.
Ainsi, il ouvre la possibilité de favoriser une guérison plus rapide dans les appareils de réparation osseuse.
Dans diverses applications
Il est utilisé dans les applications à haute température où une résistance à l'usure est requise, comme les roulements (pièces qui supportent le mouvement de rotation dans les machines) et les outils de coupe.
Il est également utilisé dans les aubes de turbine (machines constituées par un tambour dont les aubes tournent lors du passage de l'eau ou d'un gaz et génèrent ainsi de l'énergie) et les connexions incandescentes (joints à haute température).
Turbine ou moteur d'avion, ses pales peuvent contenir du nitrure de silicium. Auteur: Lars_Nissen_Photoart. Source: Pixabay.
Il est utilisé dans les tubes de thermocouple (capteurs de température), les creusets en métal fondu et les injecteurs de carburant de fusée.
Références
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- Bibliothèque nationale de médecine des États-Unis. (2019). Nitrure de silicium. Récupéré de pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
- Dean, JA (éditeur). (1973). Manuel de chimie de Lange. Onzième édition. Compagnie du livre McGraw-Hill.
- Zhang, JXJ et Hoshino, K. (2019). Fondamentaux de la nano / microfabrication et effet d'échelle. In Molecular Sensors and Nanodevices (deuxième édition). Récupéré de sciencedirect.com.
- Drouet, C. et al. (2017). Types de céramiques. Nitrure de silicium: une introduction. Dans les progrès des biomatériaux céramiques. Récupéré de sciencedirect.com.
- Kita, H. et coll. (2013). Examen et aperçu du nitrure de silicium et du SiAlON, y compris leurs applications. In Handbook of Advanced Ceramics (deuxième édition). Récupéré de sciencedirect.com.
- Ho, HL et Iyer, SS (2001). DRAM. Problèmes de capacité des nœuds. Dans Encyclopédie des matériaux: science et technologie. Récupéré de sciencedirect.com.
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