Нитрид кремния против карбида кремния- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

Нитрид кремния ( $Си_{3} Н_{4}$ ) и Карбид Кремния ( $Карбид кремния$ ) — это два передовых керамических материала, известных своими исключительными свойствами, которые делают их незаменимыми в сложных промышленных условиях, где традиционные металлы и полимеры не справляются. Хотя оба имеют кремниевую основу и обеспечивают превосходные характеристики при высоких температурах, их специфический состав и кристаллические структуры обуславливают различные характеристики, определяющие их соответствующее использование.

Состав и структура

Нитрид кремния представляет собой химическое соединение кремния и азота, обычно имеющее формулу $Си_{3} Н_{4}$ . Он имеет сложную кристаллическую структуру с двумя основными формами: $α$ - и $β$ -нитрид кремния, с $β$ -форма является наиболее распространенной для высокопроизводительных применений из-за ее игольчатых зерен, которые препятствуют распространению трещин. Материал синтезируют различными методами, включая прямое нитридирование порошка кремния или реакцию тетрахлорида кремния и аммиака.

Карбид кремния представляет собой соединение кремния и углерода, образующее твердую ковалентную сеть. Он существует во многих политипах, наиболее распространенным из которых является $α$ -Карбид кремния и $β$ -СиК. Его структура аналогична алмазу, что способствует его чрезвычайной твердости. Естественное происхождение $СиС$ чрезвычайно редок (известен как минерал муассанит), поэтому промышленный материал почти полностью синтетический и обычно производится по процессу Ачесона.

Ключевые механические и термические свойства

Обе керамики обладают выдающимися свойствами, но прямое сравнение выявляет ключевые различия:

Свойство	Нитрид кремния ( $Си_{3} Н_{4}$ )	Сиlicon Carbide ( $СиС$ )
Твердость (Моос)	$8 - 9$	$\approx 9 - 9.5$
Вязкость разрушения	$\approx 6 - 8 МПа м$	$\approx 3 - 5 МПа м$
Теплопроводность	Низкий ( $\approx 20 - 30 Вт / мК$ )	Высокий ( $\approx 120 - 200 Вт / мК$ )
Тепловое расширение	Очень низкий	Очень низкий
Высокотемпературная прочность	Отлично (сохраняет прочность до $\approx 140 0^{\circ} С$ )	Отлично (сохраняет прочность до $\approx 160 0^{\circ} С$ )

$Си_{3} Н_{4}$ продукт известен своим превосходная вязкость разрушения и высокая устойчивость к термическому удару . Эта высокая прочность, означающая, что материал более устойчив к катастрофическому разрушению из-за внутренних трещин, является значительным преимуществом перед многими другими керамиками, в том числе $СиС$ , в приложениях, связанных со значительными механическими нагрузками или быстрыми изменениями температуры.

Наоборот, $СиС$ ценится за свою чрезвычайная твердость уступает только алмазу и нитриду бора, и его исключительная теплопроводность . high thermal conductivity makes $СиС$ идеально подходит для отвода тепла в электронных компонентах и приложениях, требующих эффективной теплопередачи.

Применение в промышленности

Отличительные свойства этих двух керамик приводят к тому, что они доминируют в разных, но иногда пересекающихся секторах:

Нитрид кремния Applications

Нитрид кремния Сочетание высокой прочности, низкой плотности и исключительной устойчивости к тепловому удару делает его предпочтительным материалом для:

Компоненты двигателя: Роторы турбокомпрессоров, свечи накаливания и клапаны дизельных и бензиновых двигателей, где высокое соотношение прочности и веса и термическая стабильность обеспечивают повышение производительности.
Подшипники: В высокоскоростных, высокотемпературных и агрессивных средах $Си_{3} Н_{4}$ шарики и ролики превосходят стальные благодаря меньшей плотности (снижение центробежных сил) и более длительному сроку службы.
Обращение с расплавленным металлом: Его несмачивающие свойства и химическая стабильность делают его идеальным для использования в тиглях, трубах и компонентах печей при обработке алюминия и цветных металлов.

Карбид кремния Applications

Карбид кремния предпочтителен для применений, требующих максимальной твердости, износостойкости и высокого терморегулирования:

Абразивы и шлифовка: Благодаря своей чрезвычайной твердости он широко используется в режущих инструментах, шлифовальных кругах и притирочных порошках.
Силовая электроника: Широкая запрещенная зона, высокая подвижность электронов и высокая теплопроводность делают его революционным материалом для изготовления мощных, высокочастотных и высокотемпературных полупроводников (диодов, МОП-транзисторов), которые имеют решающее значение в электромобилях и солнечных инверторах.
Нагревательные элементы: Используется в промышленных печах и обжиге благодаря способности сохранять прочность при очень высоких температурах.
Бронежилет: Высокая твердость и низкая плотность делают его эффективным материалом для изготовления керамических ударных пластин.

Подводя итог, можно сказать, что, хотя и нитрид кремния, и карбид кремния представляют собой вершину современной керамики, их обычно выбирают на основе конкретных критериев производительности. Нитрид кремния превосходит, где термостойкость и вязкость разрушения имеют первостепенное значение, тогда как Карбид кремния является явным победителем чрезвычайная твердость, стойкость к истиранию и мощное управление температурой в электронике.