Silicij nitrid u odnosu na silicij karbid

silicijev nitrid ( ${\text{Si}}_3{\text{N}}_4$ ) i Silicij karbid ( $\text{SiC}$ ) su dva napredna keramička materijala poznata po svojim iznimnim svojstvima, što ih čini nezamjenjivim u zahtjevnim industrijskim primjenama gdje tradicionalni metali i polimeri ne uspijevaju. Dok oba dijele bazu od silicija i nude vrhunsku izvedbu na visokim temperaturama, njihov specifični sastav i kristalne strukture dovode do različitih karakteristika koje diktiraju njihovu upotrebu.

Sastav i struktura

silicij nitrid je kemijski spoj silicija i dušika, obično s formulom ${\text{Si}}_3{\text{N}}_4$ . Ima složenu kristalnu strukturu, s dva primarna oblika, $\alpha$ - i $\beta$ -silicijev nitrid, s $\beta$ -oblik je najčešći za aplikacije visokih performansi zbog svojih igličastih zrnaca koja su otporna na širenje pukotina. Materijal se sintetizira različitim metodama, uključujući izravnu nitraciju praha silicija ili reakciju silicijevog tetraklorida i amonijaka.

Silicij karbid je spoj silicija i ugljika, tvoreći kovalentnu mrežastu čvrstu tvar. Postoji u brojnim politipovima, a najčešći je $\alpha$ -SiC i $\beta$ -SiC. Njegova struktura je analogna dijamantu, što doprinosi njegovoj ekstremnoj tvrdoći. Prirodno nastaje $\text{SiC}$ je iznimno rijedak (poznat kao mineral moissanite), tako da je industrijski materijal gotovo u potpunosti sintetski, obično proizveden Achesonovim postupkom.

Ključna mehanička i toplinska svojstva

Obje keramike imaju izvanredna svojstva, ali izravna usporedba ističe ključne razlike:

The ${\text{Si}}_3{\text{N}}_4$ proizvod je poznat po svojim superiorna lomna žilavost i visoka otpornost na toplinski udar . Ova visoka žilavost, što znači da je materijal otporniji na katastrofalno oštećenje uzrokovano unutarnjim pukotinama, značajna je prednost u odnosu na mnoge druge keramike, uključujući $\text{SiC}$ , u primjenama koje uključuju značajan mehanički stres ili brze promjene temperature.

Obrnuto, $\text{SiC}$ cijenjena je zbog svoje ekstremna tvrdoća , odmah iza dijamanta i borovog nitrida, i njegov izuzetna toplinska vodljivost . Visoka toplinska vodljivost čini $\text{SiC}$ idealno za odvođenje topline u elektroničkim komponentama i aplikacijama koje zahtijevaju učinkovit prijenos topline.

Primjene u industriji

Različita svojstva ovih dviju keramika dovode ih do toga da dominiraju u različitim sektorima koji se ponekad preklapaju:

silicij nitrid Applications

silicijev nitrid kombinacija visoke čvrstoće, male gustoće i izvanredne otpornosti na toplinski udar čini ga materijalom izbora za:

• Komponente motora: Rotori turbopunjača, žarnice i ventili u dizelskim i benzinskim motorima, gdje njegov visok omjer čvrstoće i težine i toplinska stabilnost nude bolje performanse.
• Ležajevi: U okruženjima velike brzine, visoke temperature i korozivnim okruženjima, ${\text{Si}}_3{\text{N}}_4$ kuglice i valjci su bolji od čelika zbog manje gustoće (smanjenje centrifugalnih sila) i duljeg vijeka trajanja.
• Rukovanje rastaljenim metalom: Njegova svojstva nekvašenja i kemijska stabilnost čine ga izvrsnim za upotrebu u loncima, cijevima i komponentama peći u obradi aluminija i obojenih metala.

Silicij karbid Applications

Silicij karbid preferira se za primjene koje zahtijevaju maksimalnu tvrdoću, otpornost na habanje i visoku toplinsku kontrolu:

• Abrazivi i brušenje: Zbog svoje izuzetne tvrdoće, naširoko se koristi u alatima za rezanje, brusnim pločama i prahovima za lepljenje.
• Energetska elektronika: Njegov široki pojasni pojas, visoka pokretljivost elektrona i visoka toplinska vodljivost čine ga revolucionarnim materijalom za poluvodiče velike snage, visoke frekvencije i visoke temperature (diode, MOSFET-ovi) koji su ključni u električnim vozilima i solarnim pretvaračima.
• Grijaći elementi: Koristi se u industrijskim pećima i pećima zbog svoje sposobnosti održavanja čvrstoće na vrlo visokim temperaturama.
• Oklop za tijelo: Njegova visoka tvrdoća i niska gustoća čine ga učinkovitim materijalom za keramičke udarne ploče.

Ukratko, iako i silicijev nitrid i silicij karbid predstavljaju vrhunac napredne keramike, općenito se biraju na temelju specifičnih kriterija izvedbe. silicij nitrid ističe se gdje otpornost na toplinski udar i žilavost na lom najvažniji su, dok Silicij karbid je očiti pobjednik za ekstremna tvrdoća, otpornost na abraziju i upravljanje toplinom velike snage u elektronici.