Nitrid křemíku vs. karbid křemíku- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

Nitrid křemíku ( $Si_{3} N_{4}$ ) a Karbid křemíku ( $SiC$ ) jsou dva pokročilé keramické materiály proslulé svými výjimečnými vlastnostmi, díky nimž jsou nepostradatelné v náročných průmyslových aplikacích, kde tradiční kovy a polymery selhávají. Zatímco oba sdílejí křemíkový základ a nabízejí vynikající výkon při vysokých teplotách, jejich specifické složení a krystalové struktury vedou k odlišným vlastnostem, které určují jejich použití.

Složení a struktura

Nitrid křemíku je chemická sloučenina křemíku a dusíku, typicky se vzorcem $Si_{3} N_{4}$ . Vyznačuje se složitou krystalickou strukturou se dvěma primárními formami, $α$ - a $β$ -nitrid křemíku, s $β$ -forma je nejběžnější pro vysoce výkonné aplikace díky svým jehličkovitým zrnům, která odolávají šíření trhlin. Materiál se syntetizuje různými metodami, včetně přímé nitridace křemíkového prášku nebo reakcí chloridu křemičitého a amoniaku.

Karbid křemíku je sloučenina křemíku a uhlíku, tvořící pevnou kovalentní síť. Existuje v mnoha polytypech, z nichž nejběžnější je $α$ -SiC a $β$ -SiC. Jeho struktura je analogická diamantu, což přispívá k jeho extrémní tvrdosti. Přirozeně se vyskytující $SiC$ je extrémně vzácný (známý jako minerál moissanit), takže průmyslový materiál je téměř výhradně syntetický, běžně vyráběný Achesonovým procesem.

Klíčové mechanické a tepelné vlastnosti

Obě keramiky mají vynikající vlastnosti, ale přímé srovnání ukazuje klíčové rozdíly:

Vlastnictví	Nitrid křemíku ( $Si_{3} N_{4}$ )	Karbid křemíku ( $SiC$ )
Tvrdost (Mohs)	$8 - 9$	$\approx 9 - 9.5$
Lomová houževnatost	$\approx 6 - 8 MPa m$	$\approx 3 - 5 MPa m$
Tepelná vodivost	Nízká ( $\approx 20 - 30 W / mK$ )	vysoká ( $\approx 120 - 200 W / mK$ )
Tepelná expanze	Velmi nízká	Velmi nízká
Pevnost při vysoké teplotě	Vynikající (udržuje pevnost až $\approx 140 0^{\circ} C$ )	Vynikající (udržuje pevnost až $\approx 160 0^{\circ} C$ )

The $Si_{3} N_{4}$ produkt je známý pro své vynikající lomová houževnatost a vysoká odolnost proti tepelným šokům . Tato vysoká houževnatost, což znamená, že materiál je odolnější vůči katastrofálnímu selhání z vnitřních trhlin, je významnou výhodou oproti mnoha jiným keramikám, včetně $SiC$ v aplikacích zahrnujících značné mechanické namáhání nebo rychlé změny teploty.

Naopak, $SiC$ je za to ceněný extrémní tvrdost , na druhém místě po diamantu a nitridu boru a jeho mimořádná tepelná vodivost . Díky vysoké tepelné vodivosti $SiC$ ideální pro odvod tepla v elektronických součástkách a aplikacích vyžadujících účinný přenos tepla.

Aplikace v průmyslu

Odlišné vlastnosti těchto dvou keramik je vedou k tomu, že dominují v různých, ale někdy se překrývajících sektorech:

Nitrid křemíku Applications

Nitrid křemíku kombinace vysoké pevnosti, nízké hustoty a vynikající odolnosti vůči teplotním šokům z něj činí materiál volby pro:

Součásti motoru: Rotory turbodmychadel, žhavicí svíčky a ventily v dieselových a benzínových motorech, kde jejich vysoký poměr pevnosti k hmotnosti a tepelná stabilita nabízejí zvýšení výkonu.
Ložiska: Ve vysokorychlostním, vysokoteplotním a korozivním prostředí, $Si_{3} N_{4}$ kuličky a válečky jsou lepší než ocel díky své nižší hustotě (snížení odstředivých sil) a delší životnosti.
Manipulace s roztaveným kovem: Jeho nesmáčivé vlastnosti a chemická stabilita jej činí vynikajícím pro použití v kelímcích, trubkách a součástech pecí při zpracování hliníku a neželezných kovů.

Karbid křemíku Applications

Karbid křemíku je preferován pro aplikace, které vyžadují maximální tvrdost, odolnost proti opotřebení a vysoký tepelný management:

Brusivo a broušení: Díky své extrémní tvrdosti je široce používán v řezných nástrojích, brusných kotoučích a lapovacích prášcích.
Výkonová elektronika: Jeho široká bandgap, vysoká mobilita elektronů a vysoká tepelná vodivost z něj činí revoluční materiál pro vysoce výkonné, vysokofrekvenční a vysokoteplotní polovodiče (diody, MOSFETy), které jsou kritické v elektrických vozidlech a solárních invertorech.
Topná tělesa: Používá se v průmyslových pecích a pecích díky své schopnosti udržet pevnost při velmi vysokých teplotách.
Neprůstřelné vesty: Jeho vysoká tvrdost a nízká hustota z něj činí účinný materiál pro keramické úderové desky.

Stručně řečeno, zatímco jak nitrid křemíku, tak karbid křemíku představují vrchol pokročilé keramiky, jsou obecně vybírány na základě specifických výkonnostních kritérií. Nitrid křemíku vyniká kde odolnost proti tepelným šokům a lomová houževnatost jsou prvořadé, zatímco Karbid křemíku je jasným vítězem extrémní tvrdost, odolnost proti oděru a vysoce výkonný tepelný management v elektronice.