- Estrutura
- Nomenclatura
- Propriedades
- Estado físico
- Peso molecular
- Ponto de fusão
- Densidade
- Solubilidade
- Propriedades quimicas
- Outras propriedades
- Obtendo
- Formulários
- No campo da eletrônica
- Em materiais cerâmicos
- Como um material biomédico
- Como o nitreto de silício para biomedicina é feito
- Em várias aplicações
- Referências
O nitreto de silício é um composto inorgânico constituído por nitrogênio (N) e silício (Si). Sua fórmula química é Si 3 N 4. É um material cinza claro ou cinza claro de excepcional dureza e resistência a altas temperaturas.
Devido às suas propriedades, o nitreto de silício é utilizado em aplicações onde é necessária alta resistência ao desgaste e altas temperaturas. Por exemplo, é usado para fazer ferramentas de corte e rolamentos de esferas.
Esfera de nitreto de silício Si 3 N 4. Lucasbosch. Fonte: Wikimedia Commons.
É utilizado em máquinas que devem resistir a altas forças mecânicas, como as pás das turbinas, que são como grandes cilindros onde as pás devem girar em altas velocidades com a passagem de água ou gases, produzindo energia.
Cerâmicas de nitreto de silício são usadas para fazer peças que devem entrar em contato com metais fundidos. Eles também podem ser usados como substitutos de ossos humanos ou animais.
O Si 3 N 4 possui propriedades de isolamento elétrico, ou seja, não transmite eletricidade. Portanto, ele pode ser usado em aplicações de microeletrônica ou em dispositivos eletrônicos muito pequenos.
Estrutura
No nitreto de silício, cada átomo de silício (Si) está covalentemente ligado aos 4 átomos de nitrogênio (N). Vice-versa, cada átomo de nitrogênio está ligado aos 3 átomos de silício.
Portanto, as ligações são muito fortes e dão ao composto uma alta estabilidade.
Estrutura de Lewis do nitreto de silício Si 3 N 4. Grasso Luigi. Fonte: Wikimedia Commons.
Estrutura tridimensional do nitreto de silício Si 3 N 4. Cinza = silício; azul = nitrogênio. Grasso Luigi. Fonte: Wikimedia Commons.
O nitreto de silício possui três estruturas cristalinas: alfa (α-Si 3 N 4), beta (β-Si 3 N 4) e gama (γ-Si 3 N 4). Alfa e beta são os mais comuns. Gamma é obtido em altas pressões e temperaturas e é o mais difícil.
Nomenclatura
- Nitreto de silício
- Tetranitreto de trissilício
Propriedades
Estado físico
Cinza brilhante sólido.
Peso molecular
140,28 g / mol
Ponto de fusão
1900 ºC
Densidade
3,44 g / cm 3
Solubilidade
Insolúvel em água. Solúvel em ácido fluorídrico HF.
Propriedades quimicas
Este é um composto muito estável, devido à forma como os átomos de silício e nitrogênio estão ligados em Si 3 N 4.
O nitreto de silício possui excelente resistência aos ácidos clorídrico (HCl) e sulfúrico (H 2 SO 4). Também é muito resistente à oxidação. É resistente ao alumínio fundido e suas ligas.
Outras propriedades
Possui boa resistência ao choque térmico, alta retenção de dureza em elevadas temperaturas, excelente resistência à erosão e ao desgaste, e excelente resistência à corrosão.
Possui dureza excepcional que permite a aplicação de finas espessuras de material. Ele mantém suas propriedades em altas temperaturas.
Filmes de nitreto de silício são excelentes barreiras para a difusão de água, oxigênio e metais, mesmo em altas temperaturas. São muito duros e possuem uma constante dielétrica elevada, o que significa que conduzem mal a eletricidade, agindo assim como isolantes elétricos.
É por todas essas razões que é um material adequado para aplicações de alta temperatura e alta tensão mecânica.
Obtendo
Pode ser obtido a partir da reação entre a amônia (NH 3) e o cloreto de silício (SiCl 4), na qual é produzida a amida de silício Si (NH 2) 4, que ao ser aquecida forma uma imida e posteriormente o nitreto de silício Si 3 N 4.
A reação pode ser resumida da seguinte forma:
Cloreto de silício + amônia → nitreto de silício + ácido clorídrico
3 SiCl 4 (gás) + 4 NH 3 (gás) → Si 3 N 4 (sólido) + 12 HCl (gás)
Também é fabricado tratando silício em pó compacto (Si) com gás nitrogênio (N 2) em temperaturas de 1200-1400 ° C. No entanto, este material possui microporosidade de 20-30% que limita sua resistência mecânica.
3 Si (sólido) + 2 N 2 (gás) → Si 3 N 4 (sólido)
Por este motivo, o pó de Si 3 N 4 é sinterizado para formar uma cerâmica mais densa, ou seja, o pó é submetido a altas pressões e temperaturas.
Formulários
No campo da eletrônica
O nitreto de silício é frequentemente usado como camada de passivação ou proteção em circuitos integrados e estruturas micromecânicas.
Um circuito integrado é uma estrutura que contém os componentes eletrônicos necessários para executar alguma função. Também é chamado de chip ou microchip.
O nitreto de silício Si 3 N 4 é usado na fabricação de microchips. O uploader original foi Zephyris na Wikipedia em inglês.. Fonte: Wikimedia Commons.
O Si 3 N 4 possui excelente resistência à difusão de água, oxigênio e metais como o sódio, por isso serve como camada isolante ou barreira.
Ele também é usado como um material dielétrico, o que significa que é um mau condutor de eletricidade, por isso atua como um isolante para ele.
Isso serve para aplicações microeletrônicas e fotônicas (geração e detecção de ondas de luz). É usado como uma camada fina em revestimentos ópticos.
É o material dielétrico mais comum usado em capacitores para memória dinâmica de acesso aleatório ou DRAM (Dynamic Random Access Memory), que são os usados em computadores.
Memória DRAM usada em computadores ou computadores. Pode conter nitreto de silício. Victorrocha. Fonte: Wikimedia Commons.
Em materiais cerâmicos
A cerâmica de nitreto de silício possui propriedades de alta dureza e resistência ao desgaste, por isso é utilizada em aplicações de engenharia tribológica, ou seja, onde ocorre grande atrito e desgaste.
O Si 3 N 4 denso apresenta alta resistência flexível, alta resistência à fratura, boa resistência ao arrasto ou deslizamento, alta dureza e excelente resistência à erosão.
Esferas de rolamento de esferas de vários tamanhos feitas de nitreto de silício. Eles são usados para serem usados em máquinas. Lucasbosch. Fonte: Wikimedia Commons.
Este é obtido quando o nitreto de silício é processado por sinterização na fase líquida adicionando óxido de alumínio e óxido de ítrio (Al 2 O 3 + Y 2 O 3) em temperaturas de 1750-1900 ° C.
A sinterização consiste em submeter um pó composto a altas pressões e temperaturas para obter um material mais denso e compacto.
A cerâmica de nitreto de silício pode ser usada, por exemplo, em equipamentos de fundição de alumínio, isto é, em locais muito quentes onde o alumínio fundido está presente.
Tubo para vedação fabricado em cerâmica Si 3 N 4 e utilizado em processos com alumínio fundido. Hshkrc. Fonte: Wikimedia Commons.
A estrutura da cerâmica de nitreto de silício oferece uma grande oportunidade de otimizar propriedades para aplicações específicas de acordo com as demandas dos engenheiros. Mesmo muitas de suas aplicações potenciais ainda não se materializaram.
Como um material biomédico
Desde 1989 foi estabelecido que o Si 3 N 4 é um material biocompatível, o que significa que pode substituir uma parte de um organismo vivo sem causar danos e permitindo a regeneração do tecido ao seu redor.
É utilizado na fabricação de componentes para reposição ou reparo de ossos de sustentação e também dispositivos intervertebrais, ou seja, pequenos objetos que permitem o reparo da coluna vertebral.
Em testes realizados em ossos humanos ou animais, a união do osso com os implantes ou peças cerâmicas de Si 3 N 4 ocorreu em um curto espaço de tempo.
Os ossos do corpo humano podem ser reparados ou substituídos por partes de nitreto de silício. Autor: Com329329. Fonte: Pixabay.
O nitreto de silício não é tóxico, favorece a adesão celular, a proliferação ou multiplicação normal das células e sua diferenciação ou crescimento por tipo celular.
Como o nitreto de silício para biomedicina é feito
Para esta aplicação, o Si 3 N 4 é previamente submetido a um processo de sinterização com aditivos de alumina e óxido de ítrio (Al 2 O 3 + Y 2 O 3). Isso consiste em aplicar pressão e alta temperatura ao pó de Si 3 N 4 mais os aditivos.
Esse procedimento confere ao material resultante a capacidade de prevenir o crescimento bacteriano, reduzindo o risco de infecção e favorecendo o metabolismo celular do organismo.
Assim, abre-se a possibilidade de promover uma cicatrização mais rápida em dispositivos de reparo ósseo.
Em várias aplicações
É usado em aplicações de alta temperatura onde a resistência ao desgaste é necessária, como rolamentos (peças que suportam o movimento rotacional em máquinas) e ferramentas de corte.
Também é utilizado em pás de turbinas (máquinas formadas por um tambor com pás que giram ao passar água ou gás e, portanto, geram energia) e conexões incandescentes (juntas a altas temperaturas).
Turbina ou motor de aeronave, suas pás podem conter nitreto de silício. Autor: Lars_Nissen_Photoart. Fonte: Pixabay.
É usado em tubos de termopar (sensores de temperatura), cadinhos de metal fundido e injetores de combustível de foguete.
Referências
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- Dean, JA (Editor). (1973). Lange's Handbook of Chemistry. Décima primeira edição. McGraw-Hill Book Company.
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- Drouet, C. et al. (2017). Tipos de cerâmicas. Nitreto de silício: uma introdução. In Advances in Ceramic Biomaterials. Recuperado de sciencedirect.com.
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- Zhang, C. (2014). Compreensão do desgaste e propriedades tribológicas de compósitos de matriz cerâmica. In Advances in Ceramic Matrix Composites (Segunda Edição). Recuperado de sciencedirect.com.