Piinitridi

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
Tunnisteet
CAS-numero	12033-89-5
PubChem CID	3084099
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
Infobox OK

Ominaisuudet

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 käyttö

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].