Avaa päävalikko

Piinitridi

kemiallinen yhdiste

Piinitridi (Si3N4) on piin ja typen muodostama epäorgaaninen yhdiste. Yhdistettä käytetään kovuutensa ja lämpötilankestonsa vuoksi muun muassa moottoreissa, leikkaavissa työvälineissä ja laakereissa. Lisäksi sitä käytetään elektroniikassa mikropiirien valmistamiseen.

Piinitridi
Si3N4ceramics2.jpg
Tunnisteet
CAS-numero 12033-89-5
Ominaisuudet
Molekyylikaava Si3N4
Moolimassa 140,31
Ulkomuoto Harmahtavanvalkoinen kiinteä aine
Sulamispiste 1 900 °C[1]
Tiheys 3,17 g/cm3[1]
Liukoisuus veteen Ei liukene veteen

OminaisuudetMuokkaa

Huoneenlämpötilassa piinitridi on harmahtavanvalkoista kiinteää ainetta. Yhdiste on polymorfista eli sillä on useita kidemuotoja. Tavanomaisimmat ovat α- ja β-muodot, joiden alkeiskoppi on heksagonaalinen. Molemmat näistä ovat stabiileja huoneenlämpötilassa, mutta α-muoto muuntuu β-muodoksi yli 1 650 °C:n lämpötilassa.[2][3][4][5] Näiden kidemuotojen lisäksi piinitridistä tunnetaan kaksi korkean paineen kidemuotoa, jotka ovat kuutiollinen γ-muoto (tai c-muoto) ja mahdollisesti ortorombinen δ-muoto[6][7]. Piinitridi on kovaa (kovuus Mohsin asteikolla 9) ja kestää korkeita lämpötiloja ja on inertti. Se ei liukene veteen, mutta liukenee vetyfluoridiin ja kuumiin väkeviin emäsliuoksiin. Kuumennettaessa yli 1 900 °C:n lämpötilaan se hajoaa piiksi ja typeksi.[2][3][4][5]

Valmistus ja käyttöMuokkaa

Piinitridin valmistusmenetelmä riippuu pitkälti käyttökohteesta. Leikkuuteriin, laakereihin ja moottorien osiin piinitridiä valmistetaan kuumentamalla piitä ja typpeä noin 1 100–1 400 °C:n lämpötilaan. Toinen menetelmä on kuumentaa piidioksidia ja typpeä hiilen läsnä ollessa. Hiili toimii tässä reaktiossa pelkistimenä ja pelkistää piidioksidin piiksi. Näin saatu tuote on jauhemaista, ja se sintrataan halutuiksi kappaleiksi. Elektroniikkateollisuuden käyttöä varten piinitridiä valmistetaan kemiallisella kaasufaasipinnoituksella. Lähtöaineena ovat tetrakloorisilaani, tai jokin muu kloorisilaani, ja ammoniakki.[2][3][4][5][7][8]

3 Si + 2 N2 → Si3N4
3 SiCl4 + 4 NH3 → Si3N4 + 12 HCl

Piinitridiä käytetään kovuutensa ja kuumuudenkestävyytensä vuoksi monissa mekaanisesti vaativissa sovelluksissa. Tällaisia ovat esimerkiksi leikkaavat työstökoneiden terät sekä moottorien osat kuten dieselmoottorien hehkutulpat ja kaasuturbiinien osat. Piinitridistä valmistetaan myös kuulalaakereita.[2][3][4][8] Elektroniikkateollisuudessa piinitridiohutkalvoja käytetään etsaukselta passivoivana päällysteenä ja estämään kosteuden tai natriumionien pääsyn mikropiirin pinnalle aiheuttamaan korroosiota[9].

LähteetMuokkaa

  1. a b William M. Haynes, David R. Lide, Thomas J. Bruno: CRC Handbook of Chemistry and Physics, s. 4–88. 39th Edition. CRC Press, 2012. ISBN 978-1439880494. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 17.12.2018). (englanniksi)
  2. a b c d Roger Morrell: Ceramics, Structural, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, New York, 2011. Viitattu 17.12.2018
  3. a b c d Kenneth L. Roberts & Leroy Covington, Jr.: Nitrides, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, New York, 2005. Viitattu 17.12.2018
  4. a b c d Peter Ettmayer & Walter Lengauer: Nitrides, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000. Viitattu 17.12.2018
  5. a b c Egon Wiberg, Nils Wiberg, Arnold Frederick Holleman: Inorganic chemistry, s. 860. Academic Press, 2001. ISBN 978-0-12-352651-9. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 17.12.2018). (englanniksi)
  6. A. Zerr: A New High‐Pressure δ‐Phase of Si3N4. Physica Status Solidi, 2001, 227. vsk, nro 2, s. R4-R6. Artikkelin verkkoversio Viitattu 17.12.2018. (englanniksi)
  7. a b Thomas Scott, Mary Eagleson: Concise encyclopedia chemistry, s. 985. Walter de Gruyter, 1994. ISBN 978-3110114515. (englanniksi)
  8. a b Frank L. Riley: Silicon Nitride and Related Materials. Journal of the American Ceramic Society, 2000, 83. vsk, nro 2, s. 245–265. Artikkelin verkkoversio Viitattu 17.12.2018. (englanniksi)
  9. Hugh O. Pierson: Handbook of Chemical Vapor Deposition, s. 282. William Andrew, 1999. ISBN 9780815513001. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 17.12.2018). (englanniksi)