تشتهر منتجات سيراميك كربيد السيليكون (SiC) بمقاومتها للتآكل والتآكل ودرجات الحرارة المرتفعة - وهي صفات تجعلها أيضًا مواد حرارية طويلة الأجل لفوهات الشعلات وأنابيب النفث واللهب.
تُعد SiC مادة مثالية، حيث تحافظ على قوتها حتى في درجات حرارة عالية تصل إلى 1600 درجة مئوية مع توفير توصيل حراري عالٍ ومعدلات تمدد حراري منخفضة وخصائص مقاومة ممتازة للتآكل. وعلاوةً على ذلك، يمكن لهذه المادة المتينة أن تتحمل الأحماض والأملاح المنصهرة دون أن تتفكك أو تتفتت إلى أجزاء.
الصلابة
تُعد SiC مادة مثالية للمكونات المصممة لتحمل البيئات القاسية، حيث أن قوتها ومرونتها تجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب ذلك. كما أنها تتميز بصلابة عالية للكسر (6.8 ميجا باسكال m0.5) ومعامل يونغ (440 جيجا باسكال)، بحيث لا يؤدي الإجهاد الميكانيكي إلى تشققها أو تشويهها، في حين أن قوتها ومرونتها في الانثناء تجعلها مناسبة للتطبيقات المقاومة للصدمات، حيث يتم ضمان مقاومة كل من الانحناء والصدمات من خلال تركيبة SiC الفريدة.
تسمح صلابة كربيد السيليكون بمقاومة التآكل والتآكل والإجهاد الميكانيكي الناجم عن الصدمات وحتى التعرض للمحاليل الحمضية والغسولية، مما يجعله أحد أكثر المواد المتاحة صلابة - مما يجعله مثاليًا لأدوات القطع وكذلك الألواح الخزفية في السترات الواقية من الرصاص.
يسمح التمدد الحراري المنخفض والتوصيل الحراري العالي لكربيد السيليكون بالعمل بفعالية عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، في حين أن خموله الكيميائي يجعله مقاومًا للتآكل. وبالفعل، فإن قدرة كربيد السيليكون الاستثنائية على تحمل درجات الحرارة العالية والعوامل البيئية تجعله مرشحاً ممتازاً للاستخدام في إنتاج السيارات الكهربائية.
قد يظهر كربيد السيليكون في البداية كعازل كهربائي، لكن بنيته الذرية الفريدة تمكنه من التحول إلى شبه موصل بإضافة شوائب أو منشطات خاضعة للتحكم. ويؤدي التخدير بالألومنيوم أو البورون أو الغاليوم أو منشطات النيتروجين/الفوسفور إلى خصائص أشباه الموصلات من النوع p أو n حسب نوع المنشطات التي تضيفها؛ وتتيح لها قابلية التكيف إمكانية استخدامات متعددة - بما في ذلك تطبيقات توليد الطاقة حيث كان النحاس هو المادة المستخدمة تقليدياً.
ويوجد كربيد السيليكون بشكل طبيعي كمعدن المويسانيت النادر؛ ومع ذلك، فقد تم إنتاجه بكميات كبيرة كمسحوق وبلورات منذ عام 1893 لاستخدامه كمادة كاشطة. يمكن أيضًا زراعة أحجار الكوراندوم الكريمة كبلورات مفردة كبيرة من كربيد السيليكون؛ وهو يرتبط بشكل جيد مع الكربون وعناصر أخرى لتشكيل السيراميك المركب والمواد الكاشطة المركبة؛ ويستخدم عادةً في التصنيع الآلي الصناعي وكذلك تصنيع قطع غيار السيارات عالية الأداء باستخدام عملية تصنيع مسحوق المعادن التي تسمح بأشكال معقدة بتكاليف منخفضة نسبيًا مما يسمح بتشكيله في أشكال معقدة تستخدم في تطبيقات تتراوح بين الطحن والقطع وتطبيقات الآلات عالية السرعة مما يسمح باستخدامه في تطبيقات متعددة مثل عمليات الطحن/القطع/الآلات.
التوصيل الحراري
يتميز كربيد السيليكون بمجموعة رائعة من الخصائص المرغوبة. باعتباره السيراميك الأكثر صلابة وأخف وزنًا من السيراميك المتاح، مع مقاومة ممتازة للصدمات الحرارية ومعايير تمدد حراري منخفضة. وعلاوة على ذلك، فإن قوة كربيد السيليكون المثيرة للإعجاب تمكنه من تحمل إجهاد الشد الكبير دون تلف أو فشل، مما يجعله مناسبًا للعديد من التطبيقات الصناعية.
كما أن كربيد السيليكون مقاوم للغاية للتآكل والتدهور الكيميائي، حيث يتحمل معظم الأحماض (باستثناء أحماض الهيدروكلوريك والكبريتيك) والقواعد والمذيبات وجميع الوسائط المؤكسدة. في الواقع، يأتي كربيد السيليكون في المرتبة الثانية بعد الماس من حيث الصلابة بينما يوفر نيتريد البورون المكعب مقاومة فائقة للتآكل - وهي صفات تجعل كربيد السيليكون خيارًا شائعًا بشكل لا يصدق لتطبيقات القطع والطحن والحفر.
تجعل خصائص كربيد السيليكون الحرارية من كربيد السيليكون مادة ممتازة للاستخدام في الدروع الواقية، مما يوفر امتصاص الصدمات بأقل ضرر ممكن. وكبديل للزجاج الباليستي وكربيد البورون، قد تستفيد السترات الواقية من الرصاص المصنوعة من كربيد السيليكون بشكل كبير. كما تعمل مانعات التسرب من كربيد السيليكون بشكل جيد، بما في ذلك التطبيقات المستخدمة في أعمدة المضخات عالية السرعة.
كما هو الحال مع معظم أنواع السيراميك، فإن كربيد السيليكون له خصائص عزل كهربائي طبيعية، ومع ذلك، يمكن جعله شبه موصل من خلال التخدير بكميات صغيرة من الشوائب أو عوامل التخدير أثناء الإنتاج عن طريق تغيير تركيز أيونات السطح - وفي هذه الحالة ينتج عن ذلك سلوك شبه موصل واسع النطاق لكربيد السيليكون.
إن مزيج كربيد السيليكون من السيليكون والكربون يمنحه خصائص فيزيائية وميكانيكية فريدة من نوعها، مما يجعله مادة متعددة الاستخدامات للغاية. فهي تتفوق في تحمل التآكل والتآكل والتآكل بنفس فعالية تعاملها مع التآكل الاحتكاكي، مما يجعلها مناسبة للمصانع الكيميائية كمكونات للمطاحن والموسعات والفوهات والرشاشات والمضخات المغناطيسية للصناعات الكيميائية وكذلك المضخات المعلبة مع التشغيل بدون صيانة لفترات طويلة من الزمن - ومن المزايا الإضافية ثباتها الفيزيائي في البيئات المسببة للتآكل مع مقاومتها للتدهور الكيميائي وكذلك الفصل الناجم عن الإشعاع - مما يجعل كربيد السيليكون مادة لا تقدر بثمن!
مقاومة التآكل
كربيد السيليكون هو مادة متينة للغاية يمكنها تحمل التعرض لمجموعة واسعة من المواد الكيميائية بدءًا من الأحماض العضوية والقلويات، مرورًا بالأملاح المنصهرة ودرجات الحرارة المرتفعة دون أن تفقد قوتها أو تتعرض لتفاعل كيميائي - وهي صفات تجعلها مناسبة لأدوات القطع أو تطبيقات السدادات الميكانيكية.
ينطوي إنتاج كربيد السيليكون على صهر المواد الخام مثل رمل السيليكا عالي الجودة وفحم الكوك البترولي في فرن المقاومة الكهربائية المصنوع من الطوب، حيث يتفاعل الكربون من فحم الكوك مع السيليكون الموجود في الرمل لتشكيل سبائك كربيد السيليكون الخضراء أو السوداء التي تتم معالجتها لاحقًا وفقًا للاستخدام المقصود - وعادةً ما يتميز كربيد السيليكون الأخضر بهياكل بلورية خشنة بينما يُظهر كربيد السيليكون الأسود هياكل بلورية أدق تُستخدم كمواد كاشطة وطحن أفضل.
تشتهر SiC بمقاومتها الاستثنائية للتآكل ومقاومة التآكل والتآكل، مما يجعلها مثالية للموانع الميكانيكية والمحامل التي تتعرض للاحتكاك المستمر. وعلاوة على ذلك، فإن معامل الاحتكاك والتمدد الحراري المنخفض يجعل من SiC مادة خزفية متينة للغاية.
التآكل هو عملية كيميائية معقدة يمكن أن تؤثر بشكل كبير على أداء العديد من المواد المختلفة. يزيد التآكل بشكل عام من العيوب السطحية على المواد، مما يقلل من قوتها. وقد يتسبب هذا الضعف في نهاية المطاف في حدوث عطل في ظل الإجهاد الميكانيكي أو الحراري أو تقصير عمرها الافتراضي بشكل كبير.
للحفاظ على سلامة المكونات الخزفية، من الضروري اختيار الطلاء المناسب للحفاظ على سلامة المكونات الخزفية. هناك العديد من خيارات الطلاء المتاحة، كل منها يقدم مجموعة من المزايا الخاصة به. إن طلاء كربيد السيليكون مقاوم للتآكل بشكل خاص ويشكل خيارًا ممتازًا لإنتاج موانع التسرب الميكانيكية؛ بالإضافة إلى أنه يستخدم عادة في التطبيقات التي تتطلب مواد صلبة ذات مستويات عالية من الصلابة؛ بالإضافة إلى أنه خيار مثالي عند التعرض لدرجات الحرارة القصوى.
مقاومة المواد الكيميائية
إن مقاومة كربيد السيليكون المتميزة للهجمات الكيميائية تجعله مادة مثالية للتطبيقات عالية الأداء التي تتطلب قوة ميكانيكية ومتانة كبيرة. وتظهر صلابة الكسر الممتازة وقوة الانثناء الرائعة هذه الخصائص؛ حيث تشير صلابة الكسر إلى قدرته على تحمل انتشار الشقوق تحت الضغط بينما تبرز هذه الأخيرة مقاومة الانحناء. وعندما تقترن هذه الخصائص بالصلابة، فإنها تمكّن كربيد السيليكون من تحمل الأحمال الميكانيكية الثقيلة في ظل ظروف شديدة مع حماية نفسه من الصدمات المفاجئة دون أن يستسلم للتلف.
تنبع صلابة كربيد السيليكون الرائعة من تركيبته البلورية الفريدة، التي تتألف من ذرات كربون وسيليكون مترابطة بإحكام مع روابط تساهمية قوية في هيكلها الشبكي البلوري. وبالإضافة إلى ذلك، يضمن هذا الترتيب ثباته الحراري الملحوظ مما يسمح له بتحمل درجات الحرارة العالية دون أن يتشوه أو يفقد قوته.
يتميز كربيد السيليكون من بين المواد الصناعية بصلابته الشديدة وثباته الحراري، ولكنه يُظهر أيضًا مقاومة كبيرة ضد التآكل والأكسدة والهجوم الكيميائي. وبفضل طبيعة هذه المادة المتينة ومرونتها القوية ضد تهديدات مثل التآكل، فإنها تُستخدم في تطبيقات متنوعة مثل ورق الصنفرة والبطانات المقاومة للحرارة وأدوات القطع والأجزاء المقاومة للتآكل في المضخات ومحركات الصواريخ.
تضفي الموصلية الكهربائية المتأصلة في كربيد السيليكون العديد من التطبيقات المفيدة. وبإضافة الألومنيوم أو البورون إليه، يمكن تغيير خواصه الكهربائية إلى أشباه موصلات من النوع p أو أشباه موصلات من النوع n؛ وبإضافة النيتروجين والفوسفور ينتج النوع الأخير.
تتيح طبيعة SiC شبه الموصلة إمكانية استخدامها في العديد من التطبيقات، بدءًا من عناصر التسخين المقاومة للأفران الكهربائية إلى المكونات الرئيسية في الثرمستورات والمتغيرات. وبفضل مقاومته الممتازة لدرجات الحرارة وخصائص التوصيل الكهربائي، يمكن أن يتحمل SiC درجات حرارة الخدمة التي تصل إلى 1600 درجة مئوية مع الحد الأدنى من فقدان القوة.
يمكن العثور على كربيد السيليكون، أو المويسانيت، بشكل طبيعي بكميات صغيرة كمعدن نادر. ويتم تصنيع معظم كربيد السيليكون التجاري الذي يباع اليوم عن طريق التفاعل الكهروكيميائي عالي الحرارة بين الرمل والكهرباء؛ ونظراً لصلابته الفائقة وثباته في درجات الحرارة القاسية وتوصيله الكهربائي وخصائصه المقاومة الكيميائية فإنه يشكل مادة جذابة لمجموعة من التطبيقات الصعبة.