Aplikace karbidu křemíku

Karbid křemíku je mimořádně užitečný materiál s využitím v mnoha průmyslových odvětvích. Přestože se v přírodě vyskytuje jako ložisko moissanitu, většina výroby karbidu křemíku (KK) se dnes uskutečňuje synteticky.

Křemíkové destičky jsou díky svému vysokému lámavému napětí a nízkému zapínacímu odporu vynikajícími součástkami pro polovodičové součástky. Jejich odolnost proti korozi navíc zajišťuje, že odolávají vysokým teplotám i problémům spojeným s korozí.

Brusné nástroje

Karbid křemíku (běžně označovaný jako "karborundum") je odolný keramický materiál s výjimečnou pevností při vysokých teplotách a tepelnou roztažností. Jako takový je široce používán pro aplikace abrazivního tryskání, kde je nutné použít odolné médium s dlouhou životností k odstranění rzi nebo přípravě výrobků pro lakování či odstranění starých povrchových úprav z povrchů. Běžně se formuje do úhlové zrnitosti před zahřátím na teplotu 1200-1400 stupňů Celsia pro spojení do sypkých nebo pevných brusných výrobků.

Karbid křemíku se vyrábí procesem známým jako karbotermická redukce. Směs čistého křemičitého písku, koksu a soli se zahřívá v elektrické odporové peci, dokud uhlíkaté látky nepůsobí jako elektroda a chemicky se nespojí s molekulami oxidu křemičitého za vzniku karborundové drti. Po ukončení zahřívání se tato zelená drť dále rozmělní a teprve poté se provede klasifikace velikosti částic, která zajistí, že vyrobené výrobky budou vyhovovat specifickým průmyslovým potřebám a potřebám zákazníků.

Karbid křemíku vyniká mezi ostatními brusnými materiály mimořádnou tvrdostí, která je na Mohsově stupnici 9 (předčí ho pouze diamant a karbid boru). Díky této výjimečné tvrdosti je karbid křemíku ideálním materiálem pro řezání nebo broušení tvrdých a křehkých materiálů s minimální potřebnou silou.

Kromě použití při tryskání jsou brusiva z karbidu křemíku ideální volbou pro broušení kovů, kamene, skla, korku, dřeva a plastů. Ačkoli jsou méně pružné než jejich protějšky z oxidu hlinitého, jejich brusná zrna ostrá jako břitva umožňují při použití lehkého tlaku tyto materiály snadno prořezat. Karbid křemíku lze nalézt také v brusných kotoučích, smirkových papírech, sklovitých a pryskyřičných brusných kotoučích a také v tryskách pro pískování.

Řezné nástroje

Karbid křemíku se široce používá jako brusný materiál v brusných kotoučích, řezných nástrojích, brusných papírech a při výrobě keramiky. Tento extrémně tvrdý materiál se také velmi dobře využívá v keramice - jeho tvrdost totiž umožňuje obrábění nebo vyřezávání různými nástroji pro specifické tvary nebo povrchové úpravy. Díky své hospodárnosti a odolnosti proti opotřebení se stal atraktivní volbou materiálu pro vytváření dlouhodobých abrazivních materiálů, jako jsou brusné kotouče.

Karbid křemíku se běžně používá k výrobě vrtacích a obráběcích nástrojů, včetně vrtáků s plnými a vyměnitelnými destičkami, pro řezání kovů, jako jsou oceli a slitiny hliníku, a také vysokoteplotních materiálů, jako je titan nebo slitiny niklu. Díky své tvrdosti se tyto materiály zřídkakdy poškodí i při vysokorychlostním obrábění.

Karbid křemíku se vyznačuje vysokou teplotou tání a tepelnou vodivostí, takže je vysoce odolný vůči otěru, korozi a dalším chemickým procesům spojeným s obráběním. Jeho odolnost tak umožňuje řezat celou řadu materiálů, od kovů a kompozitů až po keramiku.

Zirkonem tvrzený oxid hlinitý a oxid hlinitý vyztužený chromem jsou příklady keramických materiálů, které se ukázaly být lepší než karbid wolframu pro použití v řezných nástrojích pro tvrdé a křehké materiály díky své vyšší tvrdosti, pevnosti v tlaku, chemické inertnosti při zvýšených teplotách a také vyšší tepelné vodivosti, která umožňuje rychlejší odvod tepla, čímž se snižuje pravděpodobnost tepelného poškození obrobků a prodlužuje životnost nástrojů [3]. [4,5]

Tepelně odolné materiály

Karbid křemíku je všestranný materiál používaný pro různé aplikace, od abraziv a žáruvzdorných materiálů až po keramiku a vysoce výkonné aplikace. Kompozity s keramickou matricí složené z kovových a polymerních dílů vyztužených karbidem křemíku mohou zvýšit výkon a zároveň nabídnout tepelnou odolnost; hliníkové slitiny vyztužené keramikou nabízejí dvojnásobnou pevnost a 20% větší tepelnou odolnost ve srovnání s čistými hliníkovými slitinami, přičemž zůstávají o dvě třetiny lehčí.

SiC je extrémně tvrdý a chemicky odolný materiál. Vyznačuje se vynikající tepelnou vodivostí, dobrou odolností proti otěru a tepelně vodivými vlastnostmi; z hlediska tvrdosti se mu může rovnat pouze diamant a karbid bóru. Díky kombinaci těchto vlastností je SiC ideální volbou materiálu při výrobě keramických brusných výrobků, jako jsou brusné kotouče a řezné nástroje; navíc se často využívá v žáruvzdorných materiálech a keramice, protože kombinuje tepelnou odolnost (vysokou tepelnou odolnost) s mechanickou odolností (odolnost proti otěru).

Jedinečné vlastnosti karbidu křemíku z něj činí atraktivní materiál pro výrobu vysokorychlostních výkonových zařízení, včetně vysokého kritického lavinového průrazného pole a široké pásmové mezery, které umožňují dodávat větší výkon s menším počtem zařízení zapojených v sérii, čímž se snižují náklady a složitost systému, zatímco jeho nízký stavový odpor omezuje ztráty při konverzi a zvyšuje spolehlivost zařízení.

SiC se vyznačuje kombinací atomů křemíku a uhlíku ve své struktuře, což mu propůjčuje jedinečné elektrické a tepelné vlastnosti. Je inertní vůči kyselinám a louhům i vysokým teplotám a výrobní metody zahrnují reakční lepení i konvenční keramické procesy, jako je lisování za tepla a beztlakové slinování. Tvary a rozměry lze tvarovat podle zamýšleného použití; jeho spékací proces je relativně jednoduchý a vytváří spékané těleso s vysokou hustotou a mechanickými vlastnostmi, jehož konečnou mikrostrukturu lze řídit volbou spékací pomůcky, přídavkem pojiva a podmínkami lisování a spékání.

Materiály odolné proti opotřebení

Karbid křemíku je extrémně tvrdý materiál s vynikající odolností proti otěru a mechanickou pevností, takže je vhodný pro různé aplikace v širokém teplotním spektru. Kromě toho jeho silná pevnost v tlaku zvyšuje odolnost proti mechanickému namáhání, které se může časem vyskytnout; je to ideální materiál pro průmyslové použití, kde může docházet k velkému zatížení nebo vysokým rychlostem.

Karbid křemíku (SiC) je jedním z nejlehčích a nejtvrdších keramických materiálů. Jeho vrstevnatá krystalová struktura se skládá z atomů křemíku a uhlíku spojených pomocí tetraedrické vazebné konfigurace a tvoří různé polytypy s různými vlastnostmi; forma alfa (a-SiC) s hexagonální krystalovou strukturou podobnou wurtzitu se běžně vyskytuje v průmyslových aplikacích, zatímco forma beta (krystalová struktura zn blende) je vzácnější.

Karbid křemíku má ve srovnání s ocelí vynikající odolnost proti opotřebení, avšak odolnost proti nárazovému opotřebení karbidu křemíku s nitridovou vazbou je mnohem nižší - to omezuje jeho široké použití jako půdních pracovních dílů.

Reakčně vázaný kompozitní materiál z karbidu křemíku (RBSC) je určen pro aplikace, které vyžadují výjimečnou odolnost proti opotřebení, vynikající žáruvzdorné vlastnosti, chemickou stabilitu a vysoký poměr pevnosti k hmotnosti. RBSC lze tvarovat do složitých tvarů s vynikajícím poměrem pevnosti a hmotnosti, přičemž zůstává odolný vůči oxidaci a teplotám - ideální pro broušení a řezání žáruvzdorných materiálů. Běžně se používá v brousicích strojích používaných pro tento úkol.

Vysokoteplotní materiály

Výběr materiálu pro náročné aplikace vyžaduje výběr materiálů s vysokou tepelnou a chemickou odolností; karbid křemíku se z tohoto důvodu stal jednou z nejoblíbenějších možností v těžebních provozech, rafineriích ropy a čerpacích zařízeních.

Díky své vynikající teplotní stabilitě nabízí keramický materiál výjimečnou pevnost a integritu i při vystavení vysokým teplotám. Kromě toho je díky své odolnosti vůči korozi a chemickým vlivům vynikající volbou pro použití v prostředích vyžadujících vysokou úroveň čistoty, jako je například výroba polovodičů.

Vlastnosti karbidu křemíku jako technické keramiky jsou dány jeho krystalovou strukturou; polytypy mohou vykazovat odlišné vlastnosti v důsledku rozdílů v pásovém rozpětí. Pásová mezera určuje, jakým způsobem může být světlo z materiálů absorbováno nebo vyzařováno; materiály s širokou pásovou mezerou mají obvykle vyšší propustnost, zatímco u materiálů s užší pásovou mezerou je obvykle propustnost snížena.

Tepelná vodivost karbidu křemíku až 4,9 wattu na metr čtvereční v Kelvinech je jednou z jeho klíčových vlastností pro mnoho aplikací, protože umožňuje materiálu snadno odolávat vysokým teplotám. Tato vlastnost je důležitá zejména při použití jako žáruvzdorný materiál nebo jako součástka odolná proti opotřebení, kde je vysoká tepelná stabilita klíčová.

Vyšší odolnost karbidu křemíku vůči napětí ve srovnání s křemíkem z něj činí atraktivní materiál pro vysokonapěťové elektrické součástky, jako jsou polovodiče a tlakové senzory, kde by mohlo dojít k praskání při vyšších napětích; jeho odolnost přesahuje 1000V systémové systémy 10x více ve srovnání s křemíkem, resp. nitridem galia.