Nitruro de silicio (Si3N4): estructura, propiedades, obtención, usos
El nitruro de silicio es un compuesto inorgánico formado por nitrógeno (N) y silicio (Si). Su fórmula química es Si3N4. Se trata de un material gris brillante o gris claro de excepcional dureza y resistencia a altas temperaturas.
Por sus propiedades el nitruro de silicio es utilizado en aplicaciones donde se requiere alta resistencia al desgaste y a altas temperaturas. Por ejemplo, se emplea para fabricar herramientas cortantes y esferas de rodamientos.
Se usa en piezas de maquinarias que deben resistir altas fuerzas mecánicas, como las paletas de turbinas, que son como grandes cilindros donde las paletas deben girar a altas velocidades con el paso de agua o gases, produciendo energía.
Las cerámicas de nitruro de silicio se utilizan para fabricar piezas que deben entrar en contacto con metales fundidos. También sirven para ser utilizadas como reemplazo de huesos humanos o de animales.
El Si3N4 posee propiedades de aislante eléctrico, esto es, no transmite la electricidad. Por ello se puede utilizar en aplicaciones de microelectrónica o en dispositivos electrónicos muy pequeños.
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En el nitruro de silicio cada átomo de silicio (Si) está unido de forma covalente con los 4 átomos de nitrógeno (N). Viceversa, cada átomo de nitrógeno está unido a los 3 átomos de silicio.
Por lo tanto las uniones son muy fuertes y le confiere una alta estabilidad al compuesto.
El nitruro de silicio presenta tres estructuras cristalinas: alfa (α-Si3N4), beta (β-Si3N4) y gamma (γ-Si3N4). La alfa y la beta son las más comunes. La gamma se obtiene a altas presiones y temperaturas y es la más dura.
- Nitruro de silicio
- Tetranitruro de trisilicio
Sólido gris brillante.
140,28 g/mol
1900 ºC
3,44 g/cm3
Insoluble en agua. Soluble en ácido fluorhídrico HF.
Este es un compuesto muy estable, debido a la forma en que están enlazados los átomos de silicio y nitrógeno en el Si3N4.
El nitruro de silicio posee una excelente resistencia a los ácidos clorhídrico (HCl) y sulfúrico (H2SO4). También es muy resistente a la oxidación. Es resistente al aluminio fundido y sus aleaciones.
Tiene buena resistencia al choque térmico, alta retención de dureza a temperaturas elevadas, excelente resistencia a la erosión y el desgaste, y excelente resistencia a la corrosión.
Posee una excepcional dureza que permite la aplicación de espesores delgados de material. Mantiene sus propiedades a altas temperaturas.
Las películas de nitruro de silicio son excelentes barreras para la difusión del agua, oxígeno y metales, aún a altas temperaturas. Son muy duras y tienen una alta constante dieléctrica, lo que significa que conducen mal la electricidad, por lo que actúan como un aislante eléctrico.
Es por todas estas razones que es un material adecuado para aplicaciones de alta temperatura y alto estrés mecánico.
Se puede obtener partiendo de la reacción entre amoníaco (NH3) y cloruro de silicio (SiCl4), en la cual se produce la amida de silicio Si(NH2)4 que al calentarse forma una imida y luego el nitruro de silicio Si3N4.
La reacción puede resumirse así:
Cloruro de silicio + Amoníaco → Nitruro de silicio + Ácido clorhídrico
3 SiCl4 (gas) + 4 NH3 (gas) → Si3N4 (sólido) + 12 HCl (gas)
También se fabrica tratando silicio (Si) en polvo compacto con gas nitrógeno (N2) a temperaturas de 1200-1400 °C. Sin embargo, este material presenta un 20-30% de microporosidad que limita su fuerza mecánica.
3 Si (sólido) + 2 N2 (gas) → Si3N4 (sólido)
Por ello se sinteriza el polvo de Si3N4 para formar cerámica más densa, esto significa que el polvo se somete a una alta presión y temperatura.
El nitruro de silicio a menudo se usa como una capa de pasivación o protección en circuitos integrados y estructuras micromecánicas.
Un circuito integrado es una estructura que contiene los componentes electrónicos necesarios para realizar alguna función. También se le llama chip o microchip.
El Si3N4 presenta una excelente resistencia a la difusión de agua, oxígeno y metales como el sodio, por lo que sirve como capa o barrera aislante.
También se usa como material dieléctrico, esto significa que es un mal conductor de la electricidad, por lo que actúa como aislante de esta.
Esto sirve para aplicaciones microelectrónicas y fotónicas (generación y detección de ondas de luz). Se usa como capa fina en recubrimientos ópticos.
Es el material dieléctrico más común usado en condensadores para memorias dinámicas de acceso aleatorio o DRAM (siglas del inglés Dynamic Random Access Memory), que son las que se utilizan en las computadoras u ordenadores.
La cerámica de nitruro de silicio posee propiedades de alta dureza y resistencia al desgaste, por ello es utilizada en aplicaciones de ingeniería tribológica, esto es, usos donde ocurre mucha fricción y desgaste.
El Si3N4 denso presenta una alta fuerza flexible, alta resistencia a la fractura, buena resistencia al arrastre o deslizamiento, alta dureza y excelente resistencia a la erosión.
Esto se obtiene cuando se procesa el nitruro de silicio mediante sinterización en fase líquida añadiendo óxido de aluminio y óxido de itrio (Al2O3 + Y2O3) a temperaturas de 1750-1900 °C.
La sinterización consiste en someter a altas presiones y temperaturas un polvo de un compuesto para obtener un material más denso y compacto.
La cerámica de nitruro de silicio puede emplearse por ejemplo en equipos de fundición de aluminio, es decir, lugares muy calientes donde hay aluminio fundido.
La estructura de la cerámica de nitruro de silicio proporciona una gran oportunidad de optimizar propiedades para aplicaciones específicas según las demandas de los ingenieros. Incluso, muchas de sus aplicaciones potenciales aún no se han materializado.
Desde 1989 se estableció que el Si3N4 es un material biocompatible, lo que significa que puede reemplazar una parte de un organismo vivo sin causar daños y permitiendo la regeneración del tejido a su alrededor.
Sirve para fabricar componentes para sustitución o reparación de huesos que soportan carga y también dispositivos intervertebrales, es decir, pequeños objetos que permiten reparar la columna vertebral.
En pruebas realizadas en huesos humanos o de animales en poco tiempo ocurrió la unión entre el hueso y los implantes o piezas de cerámica de Si3N4.
El nitruro de silicio es no tóxico, favorece la adhesión celular, la proliferación o multiplicación normal de las células y su diferenciación o crecimiento por tipo de célula.
Para esta aplicación el Si3N4 se somete previamente a un proceso de sinterización con aditivos de alúmina y óxido de itrio (Al2O3+Y2O3). Esto consiste en aplicar presión y alta temperatura al polvo de Si3N4 más los aditivos.
Este procedimiento hace que el material resultante tenga la capacidad de prevenir el crecimiento bacteriano reduciendo el riesgo de infección y favoreciendo el metabolismo celular del organismo.
Por ello abre la posibilidad de promover una curación más rápida en dispositivos de reparación de huesos.
Se utiliza en aplicaciones de alta temperatura donde se requiere resistencia al desgaste, como cojinetes (piezas que soportan movimiento giratorio en las máquinas) y herramientas de corte.
También se usa en paletas de turbinas (máquinas formadas por un tambor con paletas que giran al pasar agua o un gas y así generan energía) y conexiones incandescentes (uniones a altas temperaturas).
Se utiliza en tubos de termocuplas (sensores de temperatura), crisoles de metal fundido e inyectores de combustible en cohetes.
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