Kiselnitrid vs. kiselkarbid- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

Kiselnitrid ( $Si_{3} N_{4}$ ) och Kiselkarbid ( $Sic$ ) är två avancerade keramiska material kända för sina exceptionella egenskaper, vilket gör dem oumbärliga i krävoche industriella tillämpningar där traditionella metaller och polymerer misslyckas. Även om båda delar en kiselbas och erbjuder överlägsen prestanda vid höga temperaturer, leder deras specifika sammansättningar och kristallstrukturer till distinkta egenskaper som dikterar deras respektive användningsområden.

Sammansättning och struktur

Kiselnitrid är en kemisk förening av kisel och kväve, vanligtvis med formeln $Si_{3} N_{4}$ . Den har en komplex kristallstruktur, med två primära former, $α$ - och $β$ -kiselnitrid, med $β$ -form är den vanligaste för högpresterande applikationer på grund av dess nålliknande korn som motstår sprickutbredning. Materialet syntetiseras genom olika metoder, inklusive direkt nitridering av kiselpulver eller reaktion av kiseltetraklorid och ammoniak.

Kiselkarbid är en förening av kisel och kol, som bildar ett kovalent fast nätverk. Det finns i många polytyper, den vanligaste varelsen $α$ -Sic och $β$ -Sic. Dess struktur är analog med diamant, vilket bidrar till dess extrema hårdhet. Naturligt förekommande $Sic$ är extremt sällsynt (känd som mineralet moissanite), så industriellt material är nästan helt syntetiskt, vanligtvis framställt via Acheson-processen.

Viktiga mekaniska och termiska egenskaper

Båda keramikerna har enastående egenskaper, men en direkt jämförelse framhäver viktiga skillnader:

Egendom	Kiselnitrid ( $Si_{3} N_{4}$ )	Kiselkarbid ( $Sic$ )
Hårdhet (Mohs)	$8 - 9$	$\approx 9 - 9.5$
Frakturseghet	$\approx 6 - 8 MPa m$	$\approx 3 - 5 MPa m$
Värmeledningsförmåga	Låg ( $\approx 20 - 30 W / mK$ )	hög ( $\approx 120 - 200 W / mK$ )
Termisk expansion	Mycket låg	Mycket låg
Hög temperatur styrka	Utmärkt (behåller styrka upp till $\approx 140 0^{\circ} C$ )	Utmärkt (behåller styrka upp till $\approx 160 0^{\circ} C$ )

De $Si_{3} N_{4}$ produkten är känd för sin överlägsen brottseghet och hög motståndskraft mot termisk chock . Denna höga seghet, vilket innebär att materialet är mer motståndskraftigt mot katastrofala brott från inre sprickor, är en betydande fördel jämfört med många andra keramik, inklusive $Sic$ , i applikationer som involverar betydande mekanisk påfrestning eller snabba temperaturförändringar.

Omvänt, $Sic$ är uppskattad för sin extrem hårdhet , näst efter diamant och bornitrid, och dess exceptionell värmeledningsförmåga . De high thermal conductivity makes $Sic$ idealisk för värmeavledning i elektroniska komponenter och applikationer som kräver effektiv värmeöverföring.

Tillämpningar inom industrin

De distinkta egenskaperna hos dessa två keramik leder till att de dominerar olika, men ibland överlappande, sektorer:

Kiselnitrid Applications

Silikonnitrid kombinationen av hög hållfasthet, låg densitet och enastående motståndskraft mot termisk stöt gör det till det valda materialet för:

Motorkomponenter: Turboladdarrotorer, glödstift och ventiler i diesel- och bensinmotorer, där dess höga styrka-till-vikt-förhållande och termiska stabilitet ger prestandavinster.
Kullager: I höghastighets-, högtemperatur- och korrosiva miljöer, $Si_{3} N_{4}$ kulor och rullar är överlägsna stål på grund av deras lägre densitet (minskar centrifugalkrafter) och längre livslängd.
Smält metallhantering: Dess icke-vätande egenskaper och kemiska stabilitet gör den utmärkt för användning i deglar, rör och ugnskomponenter vid bearbetning av aluminium och icke-järnmetaller.

Kiselkarbid Applications

Kiselkarbid är att föredra för applikationer som kräver maximal hårdhet, slitstyrka och hög värmehantering:

Slipmedel och slipning: På grund av sin extrema hårdhet används den i stor utsträckning i skärverktyg, slipskivor och lapppulver.
Kraftelektronik: Dess breda bandgap, höga elektronrörlighet och höga värmeledningsförmåga gör det till ett revolutionerande material för högeffekts-, högfrekventa och högtemperaturhalvledare (dioder, MOSFETs) som är kritiska i elfordon och solväxelriktare.
Värmeelement: Används i industriella ugnar och ugnar på grund av dess förmåga att bibehålla styrka vid mycket höga temperaturer.
Kroppsskydd: Dess höga hårdhet och låga densitet gör det till ett effektivt material för keramiska slutplåtar.

Sammanfattningsvis, medan både kiselnitrid och kiselkarbid representerar toppen av avancerad keramik, väljs de i allmänhet utifrån specifika prestandakriterier. Kiselnitrid utmärker sig där termisk chockbeständighet och brottseghet är av största vikt, medan Kiselkarbid är den klara vinnaren för extrem hårdhet, nötningsbeständighet och hög effekt termisk hantering i elektronik.