Siliciumnitrid

Siliciumnitrid (auch: Siliziumnitrid) ist eine chemische Verbindung, die als Bestandteil eines technischen Werkstoffs genutzt wird. Es tritt in drei Modifikationen (α-Si₃N₄, β-Si₃N₄ und γ-Si₃N₄) auf, die sich in ihrer Kristallstruktur unterscheiden.

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Verwendung

Technisches Siliciumnitrid ist eine Nichtoxid-Keramik, die in der Regel aus β-Siliciumnitrid-kristallen in einer glasig erstarrten Matrix besteht. Der Glasphasenanteil reduziert die Härte von Si₃N₄ im Vergleich zu Siliciumkarbid, ermöglicht aber die stengelige Umkristallisation der β-Siliciumnitridkristalle während des Sintervorgangs was eine im Vergleich zu Siliciumcarbid und Borcarbid deutlich erhöhte Bruchzähigkeit bewirkt. Die hohe Bruchzähigkeit in Kombination mit kleinen Defektgrößen verleiht Siliciumnitrid die höchste Festigkeit unter den ingenieurkeramischen Werkstoffen. Durch die Kombination von hoher Festigkeit, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und relativ kleinem Elastizitätsmodul eignet sich Si₃N₄-Keramik besonders für thermoschockbeanspruchte Bauteile, und wird z.B. als Wendeschneidplatte für Fe-Gußwerkstoffe (u.a. im unterbrochenen Schnitt) oder zum Handling von Aluminium-Schmelzen eingesetzt. Siliciumnitridkeramiken sind bei geeigneter Wahl einer refraktären Glasphase (z.B. durch den Zusatz von Yttriumoxid) für Einsatztemperaturen bis ca. 1300 °C geeignet. Als Werkstoff in Motoren hat sich Siliciumnitrid trotz hoher FuE-Anstrengungen in den letzten Jahrzehnten bisher trotzdem nicht durchsetzen können. Siliciumnitrid wird außerdem als Sonder-Werkstoff in der Lagertechnik für Hybridlager (Wälzkörper aus Si₃N₄) und Vollkeramiklager (Wälzkörper und Laufringe aus Si₃N₄) eingesetzt.

Daneben existieren zahlreiche auf Siliciumnitrid basierende Sonderlösungen. So werden beispielsweise die Messspitzen (Cantilever), mit denen bei Rasterkraftmikroskopen Proben bis in den atomaren Bereich aufgelöst werden, aus Siliciumwafern hergestellt und an ihrer Oberfläche durch eine Siliciumnitridschicht besonders widerstandsfähig gegen mechanischen Verschleiß gemacht.

Siliciumnitrid findet auch als Isolationsmaterial bei der Chipherstellung Verwendung.

Synthese

• Direkte Nitridierung: 3 Si + 2 N₂ Si₃N₄

• Carbothermische Nitridierung: 3 SiO₂ + 6 C + 2 N₂ Si₃N₄ + 6 CO

• Diimid-Synthese: SiCl₄ + 6 NH₃ Si(NH)₂ + 4 NH₄Cl; 3 Si(NH)₂ Si₃N₄ + 2 NH₃