Was ist Siliziumnitrid?
Siliziumnitrid ist ein geruchloses weißes bis graues Pulver.
Die chemische Hauptzusammensetzung von Siliziumnitrid ist ternäres Siliziumtetranitrid (Si3N4), auch bekannt als Siliziumnitrid. Sein Molekulargewicht beträgt 140,28 und seine CAS-Nummer lautet 12033-89-5. Es wurde erstmals 1857 von Henri Etienne Sainte-Claire de Ville und Friedrich Wöhler beschrieben.
Anwendungen von Siliziumnitrid
Als Hochtemperatur-Strukturmaterial wird Siliziumnitrid in Bauteilen verwendet, die in rauen Umgebungen eingesetzt werden, insbesondere in solchen, die Hitze ausgesetzt sind. Insbesondere wird es als Werkstoff für Motoren, Gasturbinen, Schweißbrennerdüsen und Brennkammerkomponenten verwendet.
Siliziumnitrid wird aufgrund seiner hohen Verschleißfestigkeit und mechanischen Festigkeit auch in einer Vielzahl anderer Anwendungen eingesetzt, z. B. für Formteile, Gussteile, Druckgussmaschinenteile, Schweißmaschinenteile, Schleifmaschinenteile wie Sichter, Luftstrommühlen und Perlmühlen, verschleißfeste Teile wie Motorwellen, Bühnenteile und Teile für Halbleiterfertigungsanlagen wie Linearmotoren. Es wird in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt.
Eigenschaften von Siliziumnitrid
1. Physikalische Eigenschaften
Siliziumnitrid zeichnet sich durch seine Festigkeit bei hohen Temperaturen aus. Es ist in inerter Atmosphäre bis zu etwa 1900 °C stabil, chemisch licht- und stoßbeständig und polymerisiert nicht selbst. Außerdem ist es ein sehr zähes Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer extrem hohen Temperaturwechselbeständigkeit.
2. Sonstige Eigenschaften
Siliziumnitrid wird von Flusssäure, Salzsäure und Salpetersäure angegriffen, nicht aber von geschmolzenen Metallen. Siliziumnitrid ist bis etwa 1400 °C stabil, aber zwischen etwa 1400 und 1500 °C findet ein Phasenübergang von einer stabilen Niedertemperaturphase, der sogenannten α-Phase, zu einer stabilen Hochtemperaturphase, der sogenannten β-Phase, statt.
Struktur von Siliziumnitrid
Siliziumnitrid hat drei Kristallpolymorphe: α-Phase, β-Phase und γ-Phase. α-Phase und β-Phase sind die Atmosphärendruck-Phasen, während die γ-Phase die Hochdruck-Phase ist. α-Phase und β-Phase sind die Hauptziele für die Materialentwicklung. γ-Phase kann nur unter hohem Druck und hohen Temperaturen synthetisiert werden und hat eine Härte von 35 GPa.
1. α- und β-Phase
Die Siliziumnitride der α- und β-Phase haben eine trikline (Pearson-Symbol hP28, Raumgruppe P31c, Nr. 159) bzw. hexagonale (Pearson-Symbol hP14, Raumgruppe P63, Nr. 173) Struktur und sind aus einem gemeinsamen Scheitelpunkt des SiN4-Tetraeders aufgebaut. Sie sind in der Reihenfolge ABAB… oder ABCDABCD… aufgebaut. Siliziumnitrid in der α-Phase hat einen größeren Stapelabstand und eine höhere Härte als die β-Phase, ist aber chemisch instabiler als die β-Phase.
2. γ-Phase
Siliziumnitrid in der γ-Phase hat eine kubische Struktur, die in der Literatur oft als kubisches Bornitrid (c-BN) behandelt wird. Es hat eine spinellartige Struktur mit zwei Siliziumatomen, die jeweils sechs Stickstoffatome in einer oktaedrischen Konfiguration koordinieren, und einem Siliziumatom, das vier Stickstoffatome in einer tetraedrischen Konfiguration koordiniert.
Weitere Informationen zu Siliziumnitrid
1. Herstellungsverfahren für Siliziumnitrid
Siliziumnitrid wird industriell nach dem Direktnitrierverfahren hergestellt, bei dem gepresstes Siliziumpulver bei hohen Temperaturen direkt in einem Stickstoff- oder Ammoniakstrom umgesetzt wird. Es wird auch nach dem Siliziumdioxid-Reduktionsverfahren hergestellt, bei dem ein gemischtes Pulver aus Siliciumdioxid und Kohlenstoff bei hohen Temperaturen in einem Stickstoff- oder Ammoniakstrom reagiert. Zudem gibt es das Dampfphasensyntheseverfahren, bei dem Siliziumhalogenide oder Monosilane bei hohen Temperaturen mit Ammoniak reagieren.
2. Vorsichtsmaßnahmen bei der Handhabung und Lagerung
Bei der Handhabung und Lagerung sind folgende Vorsichtsmaßnahmen zu beachten:
- Behälter dicht geschlossen halten und an einem trockenen, kühlen und dunklen Ort lagern
- Nur im Freien oder in gut belüfteten Räumen verwenden
- Kontakt mit Wasser vermeiden, da es alkalische Substanzen erzeugt
- Bei der Verwendung Schutzhandschuhe und Schutzbrille tragen
- Nach der Handhabung die Hände gründlich waschen
- Bei Kontakt mit der Haut mit Wasser und Seife waschen
- Bei Augenkontakt mehrere Minuten lang sorgfältig mit Wasser spülen