Siliziumnitrid vs. Siliziumkarbid- Zhejiang Shangguijuli Special Material Technology Co., Ltd.

SiliziuMnitrid ( $Si_{3} N_{4}$ ) Und SiliziuMkarbid ( $SiC$ ) sind zwei fortschrittliche Keramikmaterialien, die für ihre außergewöhnlichen Eigenschaften bekannt sind und sie für anspruchsvolle Industrieanwendungen unverzichtbar machen, bei denen herkömmliche Metalle und Polymere versagen. Während beide auf einer Siliziumbasis basieren und eine überlegene Leistung bei hohen Temperaturen bieten, führen ihre spezifischen Zusammensetzungen und Kristallstrukturen zu unterschiedlichen Eigenschaften, die ihre jeweiligen Verwendungszwecke bestimmen.

Zusammensetzung und Struktur

Siliziumnitrid ist eine chemische Verbindung aus Silizium und Stickstoff, typischerweise mit der Formel $Si_{3} N_{4}$ . Es weist eine komplexe Kristallstruktur mit zwei Primärformen auf: $α$ - Und $β$ -Siliziumnitrid, mit der $β$ -Form, die aufgrund ihrer nadelartigen Körner, die der Rissausbreitung widerstehen, am häufigsten für Hochleistungsanwendungen verwendet wird. Das Material wird durch verschiedene Methoden synthetisiert, darunter die direkte Nitridierung von Siliziumpulver oder die Reaktion von Siliziumtetrachlorid und Ammoniak.

Siliziumkarbid ist eine Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, die ein festes kovalentes Netzwerk bildet. Es existiert in zahlreichen Polytypen, der häufigste ist $α$ -SiC und $β$ -SiC. Seine Struktur ähnelt der von Diamant und trägt zu seiner extremen Härte bei. Natürlich vorkommend $SiC$ ist extrem selten (bekannt als das Mineral Moissanit), daher ist das industrielle Material fast vollständig synthetisch und wird üblicherweise nach dem Acheson-Verfahren hergestellt.

Wichtige mechanische und thermische Eigenschaften

Beide Keramiken verfügen über herausragende Eigenschaften, doch ein direkter Vergleich zeigt wesentliche Unterschiede:

Eigentum	SiliziuMnitrid ( $Si_{3} N_{4}$ )	SiliziuMkarbid ( $SiC$ )
Härte (Mohs)	$8 - 9$	$\approx 9 - 9.5$
Bruchzähigkeit	$\approx 6 - 8 MPa m$	$\approx 3 - 5 MPa m$
Wärmeleitfähigkeit	Niedrig ( $\approx 20 - 30 W / mK$ )	Hoch ( $\approx 120 - 200 W / mK$ )
Wärmeausdehnung	Sehr niedrig	Sehr niedrig
Hochtemperaturfestigkeit	Hervorragend (hält Festigkeit bis zu $\approx 140 0^{\circ} C$ )	Hervorragend (hält Festigkeit bis zu $\approx 160 0^{\circ} C$ )

Der $Si_{3} N_{4}$ Das Produkt ist bekannt für seine überlegene Bruchzähigkeit Und hohe Beständigkeit gegen Thermoschock . Diese hohe Zähigkeit, die bedeutet, dass das Material widerstandsfähiger gegen katastrophale Ausfälle durch innere Risse ist, ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber vielen anderen Keramiken, darunter $SiC$ , bei Anwendungen mit erheblicher mechanischer Belastung oder schnellen Temperaturänderungen.

Umgekehrt, $SiC$ wird dafür geschätzt extreme Härte , an zweiter Stelle nach Diamant und Bornitrid und dessen außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit . Der high thermal conductivity makes $SiC$ Ideal für die Wärmeableitung in elektronischen Bauteilen und Anwendungen, die eine effektive Wärmeübertragung erfordern.

Anwendungen in der Industrie

Die unterschiedlichen Eigenschaften dieser beiden Keramiken führen dazu, dass sie unterschiedliche, sich jedoch manchmal überschneidende Sektoren dominieren:

Siliziumnitrid Applications

Siliziumnitrid Die Kombination aus hoher Festigkeit, geringer Dichte und hervorragender Thermoschockbeständigkeit macht es zum Material der Wahl für:

Motorkomponenten: Turboladerrotoren, Glühkerzen und Ventile in Diesel- und Benzinmotoren, bei denen das hohe Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und die thermische Stabilität zu Leistungssteigerungen führen.
Lager: In Hochgeschwindigkeits-, Hochtemperatur- und korrosiven Umgebungen $Si_{3} N_{4}$ Kugeln und Rollen sind Stahl aufgrund ihrer geringeren Dichte (Reduzierung der Zentrifugalkräfte) und ihrer längeren Lebensdauer überlegen.
Handhabung von geschmolzenem Metall: Aufgrund seiner nicht benetzenden Eigenschaften und seiner chemischen Stabilität eignet es sich hervorragend für den Einsatz in Tiegeln, Rohren und Ofenkomponenten in der Aluminium- und Nichteisenmetallverarbeitung.

Siliziumkarbid Applications

Siliziumkarbid wird für Anwendungen bevorzugt, die maximale Härte, Verschleißfestigkeit und ein hohes Wärmemanagement erfordern:

Schleifmittel und Schleifen: Aufgrund seiner extremen Härte wird es häufig in Schneidwerkzeugen, Schleifscheiben und Läpppulvern verwendet.
Leistungselektronik: Seine große Bandlücke, hohe Elektronenmobilität und hohe Wärmeleitfähigkeit machen es zu einem revolutionären Material für Hochleistungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperatur-Halbleiter (Dioden, MOSFETs), die in Elektrofahrzeugen und Solarwechselrichtern von entscheidender Bedeutung sind.
Heizelemente: Wird aufgrund seiner Fähigkeit, auch bei sehr hohen Temperaturen seine Festigkeit aufrechtzuerhalten, in Industrieöfen und Brennöfen eingesetzt.
Körperschutz: Seine hohe Härte und geringe Dichte machen es zu einem wirksamen Material für keramische Schließbleche.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl Siliziumnitrid als auch Siliziumkarbid zwar die Spitze der Hochleistungskeramik darstellen, ihre Auswahl jedoch im Allgemeinen auf der Grundlage spezifischer Leistungskriterien erfolgt. Siliziumnitrid übertrifft wo Thermoschockbeständigkeit und Bruchzähigkeit sind von größter Bedeutung, während Siliziumkarbid ist der klare Gewinner für extreme Härte, Abriebfestigkeit und leistungsstarkes Wärmemanagement in der Elektronik.