Warum Siliziumnitrid (Si₃N₄) „Null negative Bewertungen“ erhält

Würden Sie glauben, dass nach seiner ersten Entdeckung, Siliziumnitrid Wurde es tatsächlich nur als „Dünger“ verwendet? Man glaubte, dass die Kombination von Silizium mit Stickstoff und das Ausbringen von Siliziumnitrid auf Feldern Stickstoff freisetzen könnte, um Pflanzen zu ernähren.

Später erkannten Forscher das Potenzial von Siliziumnitrid als hochleistungsfähiges Strukturkeramikmaterial. Nachfolgende Studien bestätigten diese Hypothese. Folglich nutzte man seine außergewöhnlichen Eigenschaften – Hochtemperaturbeständigkeit, VerschleißfestigkeitAufgrund ihrer geringen Dichte, hohen Festigkeit und extremen Härte finden Siliziumnitridkeramiken in verschiedensten Bereichen breite Anwendung: Metallurgie, Luft- und Raumfahrt, Energie, Maschinenbau, Militärtechnik, Optik und Glasherstellung.

Siliziumnitrid (Keramik) hat sich somit seinen Ruf als nahezu perfekter Keramikwerkstoff erworben. Die Industrie hat ihm enthusiastisch beeindruckende Titel wie „Der Allround-Champion unter den Werkstoffen“ verliehen.,"Die ultimative Hochleistungskeramik","Keramikstahl"Die

1. Warum wahrhaft „allmächtig“?

Siliziumnitrid (Si₃N₄) ist eine stark kovalente Verbindung mit einem kovalenten Bindungscharakter von etwa 70 %. Die grundlegende Struktureinheit ihres Kristalls ist ein Silicium-Stickstoff-Tetraeder, in dessen Zentrum sich ein Siliciumatom befindet und dessen vier Ecken jeweils von Stickstoffatomen besetzt sind. Jedes Stickstoffatom ist an drei sich überlappende Tetraeder gebunden, die gemeinsam eine kontinuierliche, stabile dreidimensionale Netzwerkstruktur bilden.

Figur1Schematische Darstellung der tetraedrischen Struktureinheit von Siliziumnitrid

 Siliziumnitrid (Si₃N₄Siliziumnitridkristalle weisen im Allgemeinen drei polymorphe Formen auf: die hexagonale α-Phase, die hexagonale β-Phase und die kubische γ-Phase. γ-Si₃N₄ kann jedoch nur unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen (>15 GPa, 1500 °C) synthetisiert werden. Daher konzentriert sich die Forschung an Siliziumnitridstrukturen vorwiegend auf α-Si₃N₄ und β-Si₃N₄. Die Eigenschaften der Kristalle sind eng mit ihrer räumlichen Konfiguration verknüpft. β-Si₃N₄ zeigt eine überlegene thermodynamische Stabilität und übersteht Temperaturen von über 1420 °C, während es bei erhöhten Temperaturen eine rekonstruktive Phasenumwandlung von der α- zur β-Konfiguration durchläuft.

Figur2Siliziumnitrid-Kristallstruktur

Siliziumnitrid weist in seinen kovalenten Bindungen gerichtete und sättigende Eigenschaften auf. Als kovalentes Kristallgitter verleiht die hohe Bindungsstärke zwischen den Atomen Siliziumnitrid ausgezeichnete Härte und mechanische Festigkeit. Seine Keramikprodukte sind verschleißfest und besitzen eine hohe Biege- und Druckfestigkeit. Der Verschleiß von Siliziumnitridkeramiken erfolgt ähnlich wie bei Metallen und ist durch schichtweises Ablösen anstatt durch Bruch gekennzeichnet. Siliziumnitrid ist leicht und aufgrund seiner geringen Dichte deutlich leichter als Werkstoffe wie Stahl, legierter Stahl und Titanlegierungen gleichen Volumens. Aufgrund seiner tetraedrischen Einheiten, die eine räumliche Netzwerkstruktur bilden, weist Siliziumnitrid eine hohe chemische Stabilität auf und widersteht der Korrosion durch alle anorganischen Säuren und Basen mit Ausnahme von Fluorwasserstoffsäure. Die dichte lamellare Kristallstruktur von β-Si₃N₄ verleiht Siliziumnitrid außergewöhnliche Hochtemperatur- und Temperaturwechselbeständigkeit. Darüber hinaus ermöglicht sein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient und seine hohe Wärmeleitfähigkeit, Oxidationstemperaturen von bis zu 1300–1400 °C standzuhalten; die Zersetzung erfolgt erst bei Temperaturen über 1800 °C. Siliziumnitrid besitzt zudem gute antibakterielle Eigenschaften und Osteokonduktivität. Bei hohen Temperaturen gesinterte Siliziumnitrid-Materialien weisen eine mikroraue Oberfläche mit hervorstehenden β-Si₃N₄-Kanten auf. Diese einzigartige Oberflächenstruktur beeinflusst die Interaktion mit Bakterien und zeigt gute antibakterielle Wirkungen, während sie gleichzeitig die Adhäsion von Osteoblasten fördert und somit die Grundlage für die nachfolgende osteogene Differenzierung und das Knochenwachstum schafft. Siliziumnitrid-Keramiken weisen somit ein sehr breites Eigenschaftsspektrum auf. Als keramisches Material kann es jedoch keine mit Metallen vergleichbare Zähigkeit aufweisen; seine Bruchzähigkeit ist dennoch deutlich höher als die anderer keramischer Materialien wie Aluminiumnitrid und Aluminiumoxid (wenn auch geringer als die von Aluminiumoxid). Zirkonoxid).

1. Die Leistungsfähigkeit des „Allmächtigen“: Anwendungen von Siliziumnitrid

1955 stellten Collins und Gerby aus Großbritannien erstmals Siliziumnitrid in keramischer Form mittels reaktiver Sinterung her. Seitdem hat sich die Anwendung von Siliziumnitrid vor allem in keramischer Form ausgeweitet. Keramische Produkte nutzen die hervorragenden thermischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften des Materials optimal aus und erweitern so die kommerziellen Anwendungsbereiche von Siliziumnitrid im Einklang mit den technologischen Entwicklungen und der High-End-Industrie. Es findet breite Anwendung im Maschinenbau, in der Halbleiterelektronik, in biomedizinischen Anwendungen, in der Metallurgie, in der Wellenübertragung, in der Optik und weiteren Bereichen und beweist damit seine Vielseitigkeit.

Luft- und Raumfahrt:

Poröse Siliziumnitridkeramiken zeichnen sich durch eine relativ hohe Biegefestigkeit und geringe Dichte aus, was sie zu einem Schlüsselfaktor für ihre Anwendung in der Luft- und Raumfahrt macht. Sie weisen zudem Kriechfestigkeit auf, was die strukturelle Stabilität bei hohen Temperaturen erhöht. Dieses Material besitzt eine Reihe weiterer Eigenschaften, darunter Härte, elektromagnetische Eigenschaften und Wärmebeständigkeit, und wird als Wellenübertragungsmaterial für die Herstellung von Antennenabdeckungen und -fenstern verwendet. Mit der Entwicklung der Verteidigungsindustrie streben Raketen nach hohen Mach-Zahlen, großer Bandbreite, Multimode-Fähigkeit und präziser Lenkung. Die hervorragenden Eigenschaften von Siliziumnitridkeramiken und ihren Verbundwerkstoffen, darunter Wärmeschutz, Wellenübertragung und Belastbarkeit, machen sie zu einem der vielversprechendsten Wellenübertragungsmaterialien für die Forschung der nächsten Generation.

Figur3Siliziumnitrid-Raketenantennenabdeckung (Grau)

Maschinenbau:

Siliziumnitridkeramiken werden hauptsächlich in der Metallurgie für Anwendungen wie Wärmeschutzrohre, Brennerdüsen und Tiegel eingesetzt. Im Maschinenbau finden sie Verwendung in Ventilen, Rohrleitungen, Klassierscheiben und keramischen Schneidwerkzeugen. Die am weitesten verbreitete Anwendung sind Siliziumnitrid-Keramikkugellager, insbesondere Siliziumnitridlager, die in Windkraftanlagen weit verbreitet sind.

Figur4Kugellager aus Siliziumnitrid-Keramik

Biomedizinische Wissenschaften：

Mit den kontinuierlichen Fortschritten in der Forschung zu biomedizinischen Materialien wurde entdeckt, dass Siliziumnitridkeramiken nicht nur eine gute Biokompatibilität und osteogene Eigenschaften aufweisen, sondern auch eine günstige Affinität zu Zellen und anderen biologischen Geweben sowie eine exzellente Bildgebungsleistung zeigen. Dies macht sie zu einem idealen biomedizinischen Material. Erste Anwendungen finden sich in Implantaten für Biosensoren, in der Wirbelsäulenchirurgie, der Orthopädie und der Zahnmedizin.

Elektronik：

Um mit der systematischen, intelligenten und integrierten Entwicklung im Bereich der Elektronik Schritt zu halten, steigt die Leistungsaufnahme von Elektronikchips in Halbleiterbauelementen kontinuierlich an. Gleichzeitig nehmen der Integrationsgrad der Schaltungen und die Leiterdichte zu, was zu einer erhöhten Wärmeentwicklung führt. Dies erschwert die Wärmeableitung des Gehäusesubstrats und ist somit ein Hauptgrund für die eingeschränkte Effizienz der Bauelemente. Siliziumnitrid zeichnet sich durch eine hohe theoretische Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Isolationsspannungsfestigkeit, eine starke Oxidationsbeständigkeit und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus, der mit dem Chipmaterial im Gehäuse übereinstimmt. Dadurch erfüllt es die Anforderungen an Hochleistungs-Wärmeableitungssubstrate und eignet sich für die Gehäusekonstruktion und Wärmeableitung von Hochgeschwindigkeitsschaltungen und Hochleistungs-Halbleiterbauelementen wie IGBTs, LGs und CPVs.

Abschluss

Im Hinblick auf die Gesamtleistung und die breite Palette an Anwendungsmöglichkeiten ist es keine Übertreibung, Siliziumnitrid (Keramik) als den Allround-Champion zu bezeichnen.