Anvendelser af siliciumcarbid

Siliciumcarbid er et ekstremt nyttigt materiale med anvendelser i mange industrier. Selvom det findes naturligt som moissanit-mineralaflejringer, foregår det meste af produktionen af siliciumcarbid (SC) i dag syntetisk.

Med sin høje brudspænding og lave tændingsmodstand er siliciumskiver fremragende komponenter til halvlederenheder. Desuden sikrer deres korrosionsbestandighed, at de kan modstå høje temperaturer såvel som korrosionsrelaterede problemer.

Slibende værktøj

Siliciumcarbid (almindeligvis kaldet "carborundum") er et holdbart keramisk materiale med enestående styrke ved høje temperaturer og varmeudvidelsesegenskaber. Derfor bruges det i vid udstrækning til sandblæsning, hvor der er brug for holdbare, langtidsholdbare medier til at fjerne rust eller forberede produkter til maling eller fjerne gammel finish fra overflader. Almindeligvis formet til et kantet korn, før det opvarmes ved 1200-1400 grader for at blive bundet til løse eller faste slibeprodukter.

Slibemidler af siliciumcarbid fremstilles gennem en proces, der kaldes karbotermisk reduktion. For at gøre dette opvarmes en blanding af rent silikasand, koks og salt i en elektrisk modstandsovn, indtil deres kulstofholdige materiale fungerer som en elektrode og kemisk binder sig til silikamolekyler for at danne carborundum-grit. Når opvarmningen er færdig, formales dette grønne grus yderligere, inden klassificering af partikelstørrelse sikrer, at de producerede produkter opfylder specifikke industri- og kundebehov.

Siliciumcarbid skiller sig ud fra andre slibematerialer ved at være ekstremt hårdt og ligger på en 9. plads på Mohs' skala (kun overgået af diamant og borcarbid). På grund af denne exceptionelle hårdhed er siliciumcarbid et ideelt materiale til skæring eller slibning af hårde og skrøbelige materialer med minimal kraftanvendelse.

Ud over at blive brugt til sandblæsning er slibemidler af siliciumcarbid et ideelt valg til slibning af metaller, sten, glas, kork, træ og plast. Selv om de er mindre modstandsdygtige end deres modstykker af aluminiumoxid, gør de knivskarpe slibekorn det muligt at skære let igennem disse materialer ved let tryk. Siliciumcarbid findes også i slibeskiver, sandpapir, glaserede og harpiksholdige slibeskiver samt i sandblæsningsdyser.

Skærende værktøjer

Siliciumcarbid bruges i vid udstrækning som slibemateriale i slibeskiver, skæreværktøjer, sandpapir og keramiske produktionsprocesser. Keramik gør også stor brug af dette ekstremt hårde materiale - da dets hårdhed gør, at det kan bearbejdes eller udskæres med forskellige værktøjer til specifikke former eller finish. På grund af dets omkostningseffektivitet og slidstyrke er det blevet et attraktivt materialevalg til fremstilling af langtidsslibende materialer som f.eks. slibeskiver.

Siliciumcarbid bruges ofte til at fremstille bore- og bearbejdningsværktøjer, herunder massive bor og vendeskærsbor, til skæring af metaller som stål og aluminiumlegeringer samt højtemperaturmaterialer som titanium eller nikkellegeringer. Takket være hårdheden beskadiger disse materialer sjældent værktøjerne, selv ved højhastighedsbearbejdning.

Siliciumcarbid har et højt smeltepunkt og en høj varmeledningsevne, hvilket gør det meget modstandsdygtigt over for slid, korrosion og andre kemiske processer, der er forbundet med bearbejdningsprocesser. Som sådan gør dets modstandsdygtighed det muligt at skære i en lang række materialer, fra metaller og kompositter til keramik.

Zirkonoxidhærdet aluminiumoxid og kromforstærket aluminiumoxid er eksempler på keramiske materialer, som har vist sig at være bedre end wolframcarbid til brug i skæreværktøjer til hårde og sprøde materialer på grund af deres højere hårdhed, trykstyrke, kemiske inerti ved høje temperaturer samt deres højere varmeledningsevne, der gør det muligt at bortlede varmen hurtigere og dermed mindske risikoen for termisk beskadigelse af emner og give længere værktøjslevetid [3]. [4,5]

Varmebestandige materialer

Siliciumcarbid er et alsidigt materiale, der bruges til alt fra slibemidler og ildfaste materialer til keramik og højtydende applikationer. Keramiske matrixkompositter bestående af siliciumcarbidforstærkede metal- og polymerdele kan øge ydeevnen og samtidig give varmebestandighed; keramikforstærkede aluminiumlegeringer giver dobbelt så stor styrke og 20% mere varmebestandighed sammenlignet med rene aluminiumlegeringer, samtidig med at de er to tredjedele lettere.

SiC er et ekstremt hårdt og kemisk resistent materiale. Det har en fremragende varmeledningsevne, god slidstyrke og varmeledningsegenskaber; kun diamant og borcarbid kan sammenlignes med hensyn til hårdhed. Fordi det kombinerer sådanne egenskaber, er SiC et ideelt materialevalg, når man fremstiller keramiske slibeprodukter som slibeskiver og skæreværktøjer; desuden bruges det ofte i ildfaste materialer og keramik på grund af dets kombination af termisk modstand (høj varmebestandighed) og mekanisk holdbarhed (slidstyrke).

Siliciumkarbidens unikke egenskaber gør det til et attraktivt materiale til fremstilling af højhastighedseffektenheder, herunder et højt kritisk lavinefelt og et bredt båndgab, der gør det muligt at levere mere effekt med færre enheder forbundet i serie, hvilket reducerer omkostningerne og systemkompleksiteten, mens den lave tilstandsmodstand begrænser konverteringstabet og øger enhedens pålidelighed.

SiC er kendetegnet ved kombinationen af silicium- og kulstofatomer i sin struktur, hvilket giver det unikke elektriske og termiske egenskaber. Det er inert over for syrer og baser samt høje temperaturer, og fremstillingsmetoderne omfatter reaktionsbinding samt konventionelle keramiske processer som varmpresning og trykløs sintring. Former og størrelser kan formes i henhold til den tilsigtede anvendelse; sintringsprocessen er relativt ligetil og producerer sintrede legemer med mekaniske egenskaber med høj densitet, hvis slutmikrostruktur kan styres via valg af sintringshjælpemiddel, tilsætning af bindemiddel og presse- og sintringsbetingelser.

Slidstærke materialer

Siliciumcarbid er et ekstremt hårdt materiale med fremragende slidstyrke og mekanisk styrke, hvilket gør det velegnet til forskellige anvendelser over et bredt temperaturspektrum. Desuden øger den stærke trykstyrke holdbarheden mod mekanisk stress, der kan opstå over tid, hvilket gør det til det ideelle materiale at vælge til industrielle anvendelser, hvor der kan forekomme tunge belastninger eller høje hastigheder.

Siliciumcarbid (SiC) er et af de letteste og hårdeste keramiske materialer. Dets lagdelte krystalstruktur består af silicium- og kulstofatomer, der er bundet sammen via en tetraedrisk bindingskonfiguration for at danne forskellige polytyper med forskellige egenskaber; alfaformen (a-SiC) med sin hexagonale krystalstruktur, der ligner Wurtzite, findes ofte i industrielle anvendelser, mens betaformen (zn blende-krystalstruktur) er mere ualmindelig.

Siliciumcarbid har en overlegen slidstyrke sammenlignet med ståltyper, men nitridbundet siliciumcarbid har en meget lavere slagstyrke, hvilket begrænser dets udbredte anvendelse som jordbearbejdningsdele.

Reaktionsbundet siliciumcarbid (RBSC) kompositmateriale er designet til applikationer, der kræver exceptionel slidstyrke, fremragende ildfaste egenskaber, kemisk stabilitet og stærke styrke-til-vægt-forhold. RBSC kan formes til komplekse former med fremragende styrke-til-vægt-forhold, samtidig med at det forbliver oxidationsbestandigt og temperaturbestandigt - ideelt til slibning og skæring af ildfaste materialer. Det er almindeligt anvendt i slibemaskiner, der bruges til denne opgave.

Materialer til høje temperaturer

Materialevalg til barske anvendelser kræver, at man vælger materialer med høj termisk og kemisk modstandsdygtighed; siliciumcarbid er af denne grund blevet et af de foretrukne valg blandt minedrift, olieraffinering og pumpeanlæg.

På grund af sin overlegne temperaturstabilitet giver keramisk materiale enestående styrke og integritet, selv under høje temperaturer. Desuden gør dets modstandsdygtighed over for korrosion og kemiske angreb det til et fremragende valg til brug i miljøer, der kræver høje renhedsniveauer som f.eks. halvlederproduktion.

Siliciumcarbids egenskaber som teknisk keramik bestemmes af dets krystalstruktur; polytyper kan udvise forskellige egenskaber på grund af forskelle i båndgab. Båndgab bestemmer, hvordan lys kan absorberes eller udsendes fra materialer; materialer med brede båndgab har tendens til at have højere transmissionshastigheder, mens dem med smallere båndgab typisk oplever reducerede transmissionshastigheder.

Siliciumkarbidens varmeledningsevne på op til 4,9 watt pr. kvadratmeter kelvin er en af dets vigtigste egenskaber i mange anvendelser, da det gør det muligt for materialet at modstå miljøer med høje temperaturer uden problemer. Denne egenskab er især vigtig, når det bruges som ildfaste materialer eller slidstærke dele, hvor høj termisk stabilitet er afgørende.

Siliciumcarbids højere spændingsmodstand sammenlignet med silicium gør det til et attraktivt materialevalg til elektriske højspændingskomponenter som halvledere og tryksensorer, hvor der kan opstå revner ved højere spændinger; dets modstand overstiger 1000V systemsystemer med 10 gange mere sammenlignet med henholdsvis silicium og galliumnitrid.