Szilícium-nitrid kontra szilícium-karbid

szilícium-nitrid ( ${\text{Si}}_3{\text{N}}_4$ ) és szilícium-karbid ( $\text{Sic}$ ) két fejlett kerámiaanyag, amelyek kivételes tulajdonságaikról híresek, így nélkülözhetetlenek az olyan igényes ipari alkalmazásokban, ahol a hagyományos fémek és polimerek meghibásodnak. Bár mindkettő szilícium bázisú, és kiváló teljesítményt nyújt magas hőmérsékleten, sajátos összetételük és kristályszerkezetük olyan eltérő jellemzőket eredményez, amelyek megszabják a felhasználásukat.

Összetétel és szerkezet

Szilícium-nitrid szilícium és nitrogén kémiai vegyülete, jellemzően a következő képlettel: ${\text{Si}}_3{\text{N}}_4$ . Összetett kristályszerkezettel rendelkezik, két elsődleges formával, $\alpha$ - és $\beta$ -szilícium-nitrid, a $\beta$ -a forma a legelterjedtebb a nagy teljesítményű alkalmazásokban, mivel tűszerű szemcséi ellenállnak a repedés terjedésének. Az anyagot különféle módszerekkel szintetizálják, beleértve a szilíciumpor közvetlen nitridálását vagy a szilícium-tetraklorid és ammónia reakcióját.

Szilícium-karbid szilícium és szén vegyülete, kovalens hálózati szilárd anyagot képezve. Számos politípusban létezik, a leggyakoribb $\alpha$ -Sic és $\beta$ -Sic. Szerkezete hasonló a gyémánthoz, ami hozzájárul annak rendkívüli keménységéhez. Természetben előforduló $\text{Sic}$ rendkívül ritka (ásvány moissanit néven ismert), ezért az ipari anyag szinte teljesen szintetikus, általában az Acheson-eljárással állítják elő.

Főbb mechanikai és termikus tulajdonságok

Mindkét kerámia kiemelkedő tulajdonságokkal rendelkezik, de a közvetlen összehasonlítás rávilágít a legfontosabb különbségekre:

A ${\text{Si}}_3{\text{N}}_4$ a termék arról ismert kiváló törési szilárdság és magas hősokkállóság . Ez a nagy szívósság, ami azt jelenti, hogy az anyag ellenállóbb a belső repedésekből eredő katasztrofális tönkremenetelekkel szemben, jelentős előnyt jelent sok más kerámiához képest, pl. $\text{Sic}$ , jelentős mechanikai igénybevétellel vagy gyors hőmérsékletváltozással járó alkalmazásokban.

fordítva, $\text{Sic}$ nagyra becsülik érte extrém keménység , a második a gyémánt és a bór-nitrid után, és annak kivételes hővezető képesség . A high thermal conductivity makes $\text{Sic}$ ideális hőelvezetéshez elektronikus alkatrészekben és hatékony hőátadást igénylő alkalmazásokban.

Alkalmazások az iparban

E két kerámia eltérő tulajdonságai miatt különböző, de néha átfedő szektorokat uralnak:

Szilícium-nitrid Applications

Szilícium-nitrid A nagy szilárdság, az alacsony sűrűség és a hősokkokkal szembeni kiváló ellenállás kombinációja teszi a választott anyaggá:

• Motor alkatrészek: Turbófeltöltő rotorok, izzítógyertyák és szelepek dízel- és benzinmotorokban, ahol a nagy szilárdság/tömeg arány és a hőstabilitás teljesítménynövekedést tesz lehetővé.
• Csapágyak: Nagy sebességű, magas hőmérsékletű és korrozív környezetben, ${\text{Si}}_3{\text{N}}_4$ A golyók és görgők kisebb sűrűségük (csökkentik a centrifugális erőket) és hosszabb élettartamuk miatt jobbak az acélnál.
• Olvadt fém kezelése: Nedvesedésgátló tulajdonságai és kémiai stabilitása kiválóan alkalmas tégelyekben, csövekben és kemence alkatrészekben történő felhasználásra alumínium és színesfém feldolgozásban.

Szilícium-karbid Applications

Szilícium-karbid olyan alkalmazásokhoz előnyös, amelyek maximális keménységet, kopásállóságot és magas hőkezelést igényelnek:

• Csiszolóanyagok és köszörülés: Rendkívüli keménysége miatt széles körben használják vágószerszámokban, csiszolókorongokban és lapozóporokban.
• Teljesítmény elektronika: Széles sávszélessége, nagy elektronmobilitása és nagy hővezető képessége forradalmi anyaggá teszik a nagy teljesítményű, nagyfrekvenciás és magas hőmérsékletű félvezetők (diódák, MOSFET-ek) számára, amelyek kritikusak az elektromos járművekben és a szoláris inverterekben.
• Fűtőelemek: Ipari kemencékben és kemencékben használatos, mivel nagyon magas hőmérsékleten is képes megőrizni a szilárdságot.
• Testpáncél: Nagy keménysége és alacsony sűrűsége hatékony anyaggá teszi a kerámia ütőlemezekhez.

Összefoglalva, bár mind a szilícium-nitrid, mind a szilícium-karbid a fejlett kerámiák csúcsát képviseli, általában meghatározott teljesítménykritériumok alapján választják ki őket. Szilícium-nitrid kitűnik hol hősokkállóság és törésállóság a legfontosabbak, míg Szilícium-karbid számára egyértelmű győztes extrém keménység, kopásállóság és nagy teljesítményű hőkezelés az elektronikában.