窒化ケイ素は、窒素（N）とシリコン（Si）からなる無機化合物です。その化学式はSi 3 N 4です。非常に高い硬度と高温に対する耐性を備えた明るい灰色または明るい灰色の素材です。
窒化ケイ素はその特性により、高い耐摩耗性と高温が要求される用途に使用されます。たとえば、切削工具やボールベアリングの製造に使用されます。
窒化ケイ素球Si 3 N 4。ルーカスボッシュ。出典：ウィキメディア・コモンズ。
それは、ブレードが水またはガスの通過により高速で回転し、エネルギーを生成しなければならない大型シリンダーのようなタービンブレードなど、高い機械的力に抵抗する必要がある機械の一部で使用されます。
窒化ケイ素セラミックは、溶融金属と接触する必要のある部品の製造に使用されます。また、人間や動物の骨の代替品としても使用できます。
Si 3 N 4は電気絶縁性を備えています。つまり、電気を伝達しません。したがって、マイクロエレクトロニクスのアプリケーションや非常に小さな電子デバイスで使用できます。
構造
窒化ケイ素では、各ケイ素原子（Si）は4つの窒素原子（N）と共有結合します。逆も同様に、各窒素原子は3つのシリコン原子に結合しています。
したがって、結合は非常に強く、化合物に高い安定性を与えます。
窒化ケイ素のルイス構造Si 3 N 4。グラッソ・ルイージ。出典：ウィキメディア・コモンズ。
窒化ケイ素Si 3 N 4の三次元構造。灰色=シリコン; 青=窒素。グラッソルイージ。出典：ウィキメディア・コモンズ。
アルファ（α-Siの窒化シリコンは、三の結晶構造有する3 N 4）、ベータ（β-のSi 3 N 4）、及びガンマ（γ-のSi 3 N 4）。アルファとベータが最も一般的です。ガンマは高圧と高温で得られ、最も困難です。
命名法
- 窒化ケイ素
- 四窒化三ケイ素
プロパティ
体調
明るい灰色の固体。
分子量
140.28 g / mol
融点
1900ºC
密度
3.44 g / cm 3
溶解度
水に不溶。フッ酸HFに可溶。
化学的特性
これは、シリコン原子と窒素原子がSi 3 N 4で結合しているため、非常に安定した化合物です。
窒化ケイ素は、塩酸（HCl）および硫酸（H 2 SO 4）酸に対する優れた耐性を持っています。また、酸化に対して非常に耐性があります。鋳造アルミニウムとその合金に耐性があります。
その他の特性
それは、熱衝撃に対する優れた耐性、高温での硬度の高い保持、腐食および摩耗に対する優れた耐性、および腐食に対する優れた耐性を備えています。
非常に硬度が高く、薄い厚さの材料でも使用できます。それは高温でその特性を維持します。
窒化シリコン膜は、高温でも水、酸素、金属の拡散に対する優れたバリアです。それらは非常に硬く、誘電率が高いため、電気の伝導が悪く、電気絶縁体として機能します。
これらすべての理由により、高温および高機械応力の用途に適した材料です。
入手
これは、アンモニア（NH 3）と塩化ケイ素（SiCl 4）の間の反応から開始できます。この反応では、シリコンアミドSi（NH 2）4が生成され、加熱するとイミドが形成され、次に窒化ケイ素Siが形成されます。3 N 4。
反応は次のように要約できます。
塩化ケイ素+アンモニア→窒化ケイ素+塩酸
3 SiCl 4（ガス）+ 4 NH 3（ガス）→Si 3 N 4（固体）+ 12 HCl（ガス）
また、コンパクトな粉末シリコン（Si）を1200〜1400°Cの温度で窒素ガス（N 2）で処理することによって製造されます。ただし、この材料は、その機械的強度を制限する20〜30％の微孔性を持っています。
3 Si（固体）+ 2 N 2（ガス）→Si 3 N 4（固体）
このため、Si 3 N 4粉末は焼結されてより緻密なセラミックを形成します。これは、粉末が高圧と高温に曝されることを意味します。
用途
エレクトロニクスの分野で
窒化シリコンは、集積回路やマイクロメカニカル構造のパッシベーションまたは保護層としてよく使用されます。
集積回路は、いくつかの機能を実行するために必要な電子コンポーネントを含む構造です。チップまたはマイクロチップとも呼ばれます。
窒化シリコンSi 3 N 4は、マイクロチップの製造に使用されます。元のアップローダーは英語版ウィキペディアのZephyrisでした。。出典：ウィキメディア・コモンズ。
Si 3 N 4は、水、酸素、ナトリウムなどの金属の拡散に対する優れた耐性を持っているため、絶縁層またはバリアとして機能します。
また、誘電体としても使用されます。つまり、電気の伝導性が低く、絶縁体として機能します。
これは、マイクロエレクトロニクスおよびフォトニックアプリケーション（光波の生成と検出）に役立ちます。光学コーティングの薄層として使用されます。
これは、ダイナミックランダムアクセスメモリまたはDRAM（ダイナミックランダムアクセスメモリ）のコンデンサーで使用される最も一般的な誘電体材料であり、コンピューターで使用されるものです。
コンピュータまたはコンピュータで使用されるDRAMメモリ。窒化ケイ素を含む場合があります。ビクターロチャ。出典：ウィキメディア・コモンズ。
セラミック材料で
窒化ケイ素セラミックは、高い硬度と耐摩耗性の特性を備えているため、摩擦工学の用途、つまり摩擦と摩耗が多く発生する用途で使用されます。
緻密なSi 3 N 4は、高い柔軟性強度、高い耐破壊性、抗力または滑りに対する優れた耐性、高い硬度、および侵食に対する優れた耐性を示します。
窒化ケイ素で作られた様々なサイズのボールベアリング球。機械に使用されています。ルーカスボッシュ。出典：ウィキメディア・コモンズ。
これは、1750〜1900°Cの温度で、酸化アルミニウムと酸化イットリウム（Al 2 O 3 + Y 2 O 3）を加えて液相で焼結することにより窒化ケイ素を処理したときに得られます。
焼結は、化合物粉末を高圧および高温にさらして、より高密度でよりコンパクトな材料を得ることで構成されます。
窒化ケイ素セラミックは、例えばアルミニウム製錬装置、すなわち溶融アルミニウムが存在する非常に高温の場所で使用することができる。
Si 3 N 4セラミック製のシール用チューブで、鋳造アルミニウムのプロセスで使用されます。Hshkrc。出典：ウィキメディア・コモンズ。
窒化ケイ素セラミックの構造は、エンジニアの要求に従って特定のアプリケーションの特性を最適化する絶好の機会を提供します。その潜在的なアプリケーションの多くでさえ、まだ実現していません。
生物医学材料として
1989年以来、Si 3 N 4は生体適合性材料であることが確立されました。つまり、生体の一部を損傷を与えることなく置き換えることができ、その周囲の組織を再生することができます。
これは、耐力のある骨の交換または修復のためのコンポーネント、および椎間デバイス、つまり脊椎の修復を可能にする小さなオブジェクトの製造に使用されます。
人間または動物の骨で行われたテストでは、骨とインプラントまたはSi 3 N 4セラミック片との結合が短時間で起こりました。
人体の骨は修復するか、窒化ケイ素の一部で置き換えることができます。著者：Com329329。出典：Pixabay。
窒化ケイ素は無毒であり、細胞の接着、細胞の正常な増殖または増殖、および細胞の種類によるそれらの分化または増殖に有利です。
生物医学用の窒化ケイ素の製造方法
この用途では、Si 3 N 4は、アルミナと酸化イットリウムの添加剤（Al 2 O 3 + Y 2 O 3）を使用して、事前に焼結プロセスにかけられます。これは、圧力と高温をSi 3 N 4粉末と添加剤に加えることで構成されます。
この手順により、結果として得られる材料に細菌の増殖を防ぎ、感染のリスクを減らし、体の細胞代謝を促進する能力が与えられます。
このように、それは骨修復デバイスのより速い治癒を促進する可能性を開きます。
様々な用途で
ベアリング（機械の回転運動をサポートする部品）や切削工具など、耐摩耗性が要求される高温用途に使用されます。
また、タービンブレード（水またはガスを流すと回転するブレードによってドラムが形成され、エネルギーを生成する機械）および白熱接続（高温でのジョイント）にも使用されます。
タービンや航空機のエンジン、そのブレードには窒化ケイ素が含まれている場合があります。著者：Lars_Nissen_Photoart。出典：Pixabay。
熱電対チューブ（温度センサー）、溶融金属るつぼ、ロケット燃料噴射装置に使用されています。
参考文献
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