실리콘 질화물 (SI3N4) : 구조, 특성, 생산, 용도 - 화학 - 2025

질화규소 , 질소 (N) 및 실리콘 (Si)으로 이루어지는 무기 화합물이다. 화학 공식은 Si ₃ N ₄ 입니다. 뛰어난 경도와 고온 내성을 지닌 밝은 회색 또는 밝은 회색 소재입니다.

그 특성으로 인해 실리콘 질화물은 높은 내마모성과 고온이 요구되는 응용 분야에 사용됩니다. 예를 들어 절삭 공구와 볼 베어링을 만드는 데 사용됩니다.

실리콘 질화물 구체 Si ₃ N ₄ . Lucasbosch. 출처 : Wikimedia Commons.

터빈 블레이드와 같이 물이나 가스가 통과하면서 블레이드가 고속으로 회전하여 에너지를 생성하는 대형 실린더와 같은 높은 기계적 힘에 저항해야하는 기계 부품에 사용됩니다.

실리콘 질화물 세라믹은 용융 금속과 접촉해야하는 부품을 만드는 데 사용됩니다. 그들은 또한 인간 또는 동물 뼈의 대체물로 사용할 수 있습니다.

Si ₃ N ₄ 는 전기 절연 특성을 가지고 있습니다. 즉, 전기를 전달하지 않습니다. 따라서 마이크로 일렉트로닉스 애플리케이션 또는 초소형 전자 장치에 사용할 수 있습니다.

구조

실리콘 질화물에서 각 실리콘 원자 (Si)는 4 개의 질소 원자 (N)와 공유 결합됩니다. 반대로, 각 질소 원자는 3 개의 실리콘 원자에 부착되어 있습니다.

따라서 결합이 매우 강하고 화합물에 높은 안정성을 제공합니다.

실리콘 질화물 Si ₃ N ₄ 의 루이스 구조 . 그라소 루이지. 출처 : Wikimedia Commons.

실리콘 질화물 Si ₃ N _{4의 3} 차원 구조 . 회색 = 실리콘; 파란색 = 질소. 그라소 루이지. 출처 : Wikimedia Commons.

질화규소는 알파 (α-Si ₃ N ₄ ), 베타 (β-Si ₃ N ₄ ) 및 감마 (γ-Si ₃ N ₄ )의 세 가지 결정 구조를 가지고 있습니다. 알파와 베타가 가장 일반적입니다. 감마는 고압과 온도에서 얻어지며 가장 어렵습니다.

명명법

• 실리콘 질화물
• 트리 실리콘 사질화물

속성

몸 상태

밝은 회색.

분자 무게

140.28g / 몰

녹는 점

1900ºC

밀도

3.44g / cm ³

용해도

물에 불용성. 불산 HF에 가용.

화학적 특성

이것은 실리콘과 질소 원자가 Si ₃ N ₄ 에서 결합되는 방식으로 인해 매우 안정적인 화합물 _입니다.

실리콘 질화막은 우수한 염산 (HCL)을 저항을 가지고, 황산 (H ₂ SO ₄ ) 지방산 . 또한 산화에 매우 강합니다. 주조 알루미늄 및 그 합금에 내성이 있습니다.

기타 속성

열충격에 대한 내성이 우수하고 고온에서 높은 경도를 유지하며 침식 및 마모에 대한 내성이 우수하며 부식에 대한 내성이 우수합니다.

얇은 두께의 재료를 적용 할 수있는 뛰어난 경도를 가지고 있습니다. 고온에서 특성을 유지합니다.

실리콘 질화막은 고온에서도 물, 산소 및 금속의 확산에 대한 탁월한 장벽입니다. 그들은 매우 단단하고 유전 상수가 높기 때문에 전기를 잘 전도하지 않아 전기 절연체 역할을합니다.

이러한 모든 이유로 고온 및 높은 기계적 응력 응용 분야에 적합한 재료입니다.

구하기

암모니아 (NH ₃ )와 실리콘 클로라이드 (SiCl ₄ ) 의 반응에서 시작 하여 실리콘 아미드 Si (NH ₂ ) _{4가 생성되고,} 가열되면 이미 드를 형성 한 다음 실리콘 질화물 Si가 생성됩니다. ₃ N ₄ .

반응은 다음과 같이 요약 할 수 있습니다.

염화 규소 + 암모니아 → 질화규소 + 염산

3 SiCl ₄ (기체) + 4 NH ₃ (기체) → Si ₃ N ₄ (고체) + 12 HCl (기체)

또한 1200 ~ 1400 ° C의 온도에서 콤팩트 한 실리콘 분말 (Si)을 질소 가스 (N ₂ )로 처리하여 제조됩니다 . 그러나이 재료는 기계적 강도를 제한하는 20-30 %의 미세 다공성을 가지고 있습니다.

3 Si (고체) + 2 N ₂ (기체) → Si ₃ N ₄ (고체)

이러한 이유로 Si ₃ N ₄ 분말은 소결 되어 밀도가 높은 세라믹을 형성하며, 이는 분말이 고압과 온도에 노출됨을 의미합니다.

응용

전자 분야

실리콘 질화물은 종종 집적 회로 및 미세 기계 구조에서 패시베이션 또는 보호 층으로 사용됩니다.

집적 회로는 일부 기능을 수행하는 데 필요한 전자 구성 요소를 포함하는 구조입니다. 칩 또는 마이크로 칩이라고도합니다.

실리콘 질화물 Si ₃ N ₄ 는 마이크로 칩의 제조에 사용됩니다. 원래 업 로더는 English Wikipedia의 Zephyris였습니다. . 출처 : Wikimedia Commons.

Si ₃ N ₄ 는 물, 산소 및 나트륨과 같은 금속의 확산에 대한 저항성이 우수하므로 절연 층 또는 장벽 역할을합니다.

그것은 또한 유전 물질로 사용됩니다. 이것은 전기 전도체가 불량하다는 것을 의미하므로 절연체 역할을합니다.

이것은 마이크로 전자 및 광 응용 분야 (광파 생성 및 감지)에 사용됩니다. 광학 코팅에서 얇은 층으로 사용됩니다.

컴퓨터에서 사용되는 DRAM (Dynamic Random Access Memory) 또는 DRAM (Dynamic Random Access Memory) 용 커패시터에 사용되는 가장 일반적인 유전체 재료입니다.

컴퓨터 또는 컴퓨터에서 사용되는 DRAM 메모리. 실리콘 질화물을 포함 할 수 있습니다. Victorrocha. 출처 : Wikimedia Commons.

세라믹 소재

질화규소 세라믹은 경도가 높고 내마모성이 뛰어나 마찰 공학 응용 분야, 즉 많은 마찰과 마모가 발생하는 용도에 사용됩니다.

Dense Si ₃ N _4는 높은 유연성, 높은 파단 저항성, 우수한 항력 또는 미끄럼 저항성, 높은 경도 및 우수한 내식성을 나타냅니다.

질화규소로 만든 다양한 크기의 볼 베어링 구체. 그들은 기계에 사용되는 데 사용됩니다. Lucasbosch. 출처 : Wikimedia Commons.

이것은 1750-1900 ° C의 온도에서 산화 알루미늄과 산화 이트륨 (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ )을 첨가하여 액상으로 소결하여 실리콘 질화물을 처리 할 때 얻어진다 .

소결은 복합 분말을 고압 및 온도에 적용하여 밀도가 높고 컴팩트 한 재료를 얻는 것으로 구성됩니다.

실리콘 질화물 세라믹은 예를 들어 알루미늄 제련 장비, 즉 용융 알루미늄이 존재하는 매우 뜨거운 장소에서 사용할 수 있습니다.

Si ₃ N ₄ 세라믹으로 만든 밀봉 용 튜브 로 주조 알루미늄 공정에 사용됩니다. Hshkrc. 출처 : Wikimedia Commons.

실리콘 질화물 세라믹의 구조는 엔지니어의 요구에 따라 특정 응용 분야의 특성을 최적화 할 수있는 좋은 기회를 제공합니다. 많은 잠재적 인 애플리케이션조차 아직 구체화되지 않았습니다.

생의학 재료로

1989 년부터 Si ₃ N ₄ 는 생체 적합성 물질이라는 것이 확인되었습니다. 즉, 생명체의 일부를 손상시키지 않고 주변 조직의 재생을 허용하지 않고 대체 할 수 있음을 의미합니다.

하중을 지탱하는 뼈의 교체 또는 수리를위한 구성품과 척추를 수리 할 수있는 작은 물체 인 추간 장치를 제조하는 데 사용됩니다.

사람이나 동물의 뼈에 대한 테스트에서 뼈와 임플란트 또는 Si ₃ N ₄ 세라믹 조각 사이의 결합이 단시간에 발생했습니다 .

인체의 뼈를 수리하거나 질화규소의 일부로 대체 할 수 있습니다. 저자 : Com329329. 출처 : Pixabay.

질화규소는 무독성이며 세포 부착, 정상적인 증식 또는 세포 증식, 세포 유형별 분화 또는 성장에 유리합니다.

생물 의학 용 실리콘 질화물은 어떻게 만들어 지는가

이 응용을 위해, Si ₃ N ₄ 는 미리 알루미나와 이트륨 산화물 (Al ₂ O ₃ + Y ₂ O ₃ )의 첨가제로 소결 공정을 거쳤습니다 . 이것은 Si ₃ N ₄ 분말 과 첨가제에 압력과 고온을 가하는 것으로 구성됩니다 .

이 절차는 결과 물질에 박테리아 성장을 방지하고 감염 위험을 줄이고 신체의 세포 대사를 촉진하는 능력을 부여합니다.

따라서 뼈 복구 장치에서 더 빠른 치유를 촉진 할 수있는 가능성이 열립니다.

다양한 애플리케이션에서

베어링 (기계의 회전 운동을 지원하는 부품) 및 절삭 공구와 같이 내마모성이 필요한 고온 응용 분야에 사용됩니다.

또한 터빈 블레이드 (물이나 가스를 통과 할 때 회전하여 에너지를 생성하는 블레이드가있는 드럼에 의해 형성된 기계) 및 백열 연결부 (고온에서 조인트)에도 사용됩니다.

터빈 또는 항공기 엔진의 블레이드에는 질화규소가 포함될 수 있습니다. 저자 : Lars_Nissen_Photoart. 출처 : Pixabay.

열전대 튜브 (온도 센서), 용융 금속 도가니 및 로켓 연료 분사기에 사용됩니다.

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