Siliciumcarbid-materiale

Siliciumcarbid (SiC) er et af de hårdeste materialer, kun overgået af diamant. På grund af sin enestående styrke og slidstyrke er SiC en ideel kandidat til anvendelser som slibemidler og ildfaste materialer.

SiC findes både naturligt i moissanitmineraler og fremstilles syntetisk af virksomheder som Blasch ULTRON sintret SiC. SiC har flere fordele i forhold til andre keramiske materialer, herunder:.

Modstandsdygtighed over for høje temperaturer

Siliciumcarbid er en ikke-oxidkeramik, der bruges i applikationer, der kræver høj termisk og mekanisk ydeevne, f.eks. slidstærke dele til industrimaskiner og slidstærke belægninger til ovne. Desuden gør siliciumcarbids kemiske struktur det muligt at modstå ekstreme temperaturer.

På grund af sin ekstremt lille molekylestørrelse og tætte sammenpakning har polyimid en ekstremt lav varmeudvidelseshastighed, hvilket fører til høj varmebestandighed i sammensætningen.

Da det er i stand til at modstå korrosion og andre kemiske reaktioner ved høje temperaturer, som normalt ville skade andre typer keramik, bruges det ofte i kemiske processer - f.eks. svejsede varmevekslere, der håndterer meget sure eller basiske blandinger ved høje procestemperaturer. Det gør den perfekt til kemisk forarbejdning, hvor der anvendes høje procestemperaturer, som f.eks. ved forarbejdning af meget sure eller basiske blandinger, som dem man finder i kemiske reaktorer.

SiC er også ideelt til brug i olie- og gasapplikationer, såsom roterende ventiler eller flanger, der udsættes for høje niveauer af forurening, slid og korrosion. Mekaniske lejer og tætninger i SiC bruges ofte til at pumpe stærkt slibende eller ætsende medier gennem pumpesystemer som dem, der findes på tanktømningspumper, eller til sprængdyser med sprængmedier som olieslamblandinger, der indeholder olieslamblandinger, eller sprængmedier som sandkorn, der indeholder sprængmedier.

Siliciumcarbids brede båndgab gør det særligt velegnet til elektroniske anvendelser, idet det reducerer den energi, der kræves for at overføre elektroner mellem dets valens- og ledningsbånd, hvilket afgør, om det fungerer som isolator, leder eller halvledermateriale. Siliciumcarbid bliver halvleder, når dopingstoffer som bor og aluminium tilsættes som dopingstoffer til materialesammensætningen.

Siliciumkarbidens brede båndgab gør det til et attraktivt materialevalg til højtydende effekttransistorer. Det kan modstå højere spændinger, før det svigter, hvilket fører til mindre enheder med øget effektivitet, der sparer energi - denne kvalitet kan især komme i spil i elbiler, hvor kravene til effektivitet kan være særligt store.

Korrosionsbestandighed

Siliciumcarbid er et kemisk inert materiale med fremragende korrosionsbestandighed. Det kan modstå eksponering for uorganiske syrer (saltsyre, svovlsyre og flussyre), alkalier og salte samt koncentrerede svovlsyreopløsninger (eddikesyre og klor), blandt andre oxiderende midler som koncentrerede svovlsyreopløsninger eller klorgaskoncentration. Siliciumcarbid anvendes til fremstilling af stål og metaller samt til fremstilling af keramik og glas, til fremstilling af udstyr til højtemperaturovne eller til fremstilling af udstyr til højtemperaturovne.

Der findes et omfattende udvalg af industrielle siliciumcarbidkvaliteter, der spænder fra fine til grovkornede korn med kornstørrelser på op til 1,5 mm. Produktionsmetoderne for disse omfatter reaktionsbundet SiC, sintret SiC og nitridbundet siliciumcarbid. Alle tilbyder fremragende korrosionsbestandighed samt langvarig styrkebevarelse ved meget høje temperaturer.

Reaktionsbundet SiC produceres ved at infiltrere en blanding af pulveriseret SiC og flydende silicium i en infusor, hvilket skaber krystallinsk siliciumcarbid. Når dette produkt er skabt, kan det derefter nitreres ved at reagere med metallisk siliciumpulver i en atmosfære af nitrogen, hvilket producerer nitrider og oxider på overfladen, som skaber nye strukturer på overfladen.

Denne metode har den ekstra fordel, at komponenterne er tæt pakket sammen, hvilket skaber en usædvanlig stærk barriere mod iltdiffusion ind i deres centrale krystalstruktur. På trods af at de har høje koncentrationer af frit silicium på overfladen, forbliver korrosionshastigheden derfor ekstremt lav.

Siliciumcarbidnitrider og -oxider er tætte materialer, der skaber en ekstremt hård og sej overflade, som modstår mekaniske skader, hvilket bidrager væsentligt til den høje korrosionsbestandighed samt den enestående hårdhed, slidstyrke og udmattelsesstyrke.

Korrosionsbestandigheden af grovkornede SIC-kvaliteter, der er fremstillet ved trykløs sintring, er særligt imponerende, og 3PB-tests viser dette fænomen med imponerende tydelighed. Selv efter at have været udsat for smeltet klor i længere tid, forbliver deres styrke næsten konstant over lange perioder - et utroligt aktiv i mange forskellige anvendelser.

Høj styrke

Siliciumcarbid (SiC) er et af de stærkeste materialer, mennesket kender, kun overgået af diamant. SiC bruges i vid udstrækning til slibemidler og slidstærke dele på grund af dets hårdhed; til ildfaste materialer og keramik på grund af dets modstandsdygtighed over for varme og lave termiske udvidelse; samt til elektronik på grund af dets elektriske egenskaber.

Højtemperaturkeramik er både meget ildfast og kemikaliebestandigt i miljøer med høje temperaturer, hvilket gør det velegnet til ovnbeklædning og isolering af gasturbinerotorer. Selvom keramik er uopløseligt i vand og alkohol, kan det modstå angreb fra de fleste organiske syrer, baser og smeltede salte op til 1600 grader uden at gå i opløsning. Med sin høje varmeledningsevne og meget lave udvidelseskoefficient er det et ideelt isoleringsmateriale.

SiC's styrke ligger i dets lagdelte struktur, som kan antage mange former eller polytyper. Hvert lag består af fire kulstof- og siliciumatomer, der er kovalent bundet i en tetraedrisk konfiguration. Deres hjørner kobles sammen i en række retninger, som skaber unikke polytyper; deres tætte pakning øger styrken dramatisk.

Sintret SiC har en høj massefylde, men de høje temperaturer, der anvendes, kan nogle gange resultere i problemer med halsvækst og fortætning. For at fremstille dette materiale mere effektivt anvendes derfor ofte reaktionsbinding, hvor pulveriseret silica eller kvartssand kombineres med 10-50% rent siliciumcarbidpulver, før det fyres under lavt tryk i en specialpresse for at eliminere fordampning af SiO2 og samtidig begrænse halsvæksten.

Eksotermisk nitrering af en præform, der er ca. 3% større end den endelige komponent, kan også producere SiC, der bevarer sin styrke ved højere temperaturer, hvilket muliggør produktion af dele med forskellige vægtykkelser, samtidig med at delenes strukturelle integritet opretholdes.

Siliciumkarbidens ydeevne ved høje temperaturer gør det til et attraktivt materialevalg til anvendelser, der involverer modstandsvarmeelementer i elektriske ovne, waferbakkestøtter og padler til halvlederovne, elektriske isoleringsegenskaber i termistorer og varistorer, slibemidler samt modstandssvejsning af svejsetråde.

Høj tæthed

Siliciumcarbid har en ekstremt høj massefylde på omkring 3,21 g/cm3, og dets tætte krystalstruktur danner tætpakkede molekylære bindinger mellem atomer, der kovalent forbinder dem. Siliciumcarbid er uopløseligt i vand og alkohol, men kan modstå de fleste organiske syrer og uorganiske salte som fosforsyre, salpetersyre, svovlsyre og saltsyre samt termisk chok og strålingseksponering.

Sintret rent SiC har et ekstremt højt Young-modul på over 400 GPa og god dimensionsstabilitet, når det er sintret, samt fremragende varmeledningsevne, lave varmeudvidelseshastigheder, korrosions-, slid- og slidstyrke samt modstandsdygtighed over for temperaturer op til 1600oC uden styrketab; dets kemiske renhed betyder, at det modstår de fleste syrer og lud (undtagen flussyre).

Siliciumcarbidkeramik udmærker sig ved sin kemiske renhed, varmebestandighed, gode glideegenskaber og mangel på urenheder ved korngrænsen, hvilket gør dem velegnede til anvendelser som 3D-print, ballistik og papirproduktion. Deres fremragende glideegenskaber og fraværet af urenheder i korngrænserne gør siliciumcarbidkeramik særligt velegnet til krævende anvendelser som 3D-print og ballistik samt som komponenter i kemiske anlæg, energiteknologi eller papirproduktionsanlæg. Siliciumcarbidkeramik er ofte det foretrukne materiale, når komponenter skal fungere i meget mekaniske og termisk krævende miljøer som f.eks. slibemidler, slidplader, lejer, ildfaste materialer eller keramikkeramik - og det gør siliciumcarbidkeramik til et fremragende materialevalg!

På grund af sin overlegne modstandsdygtighed over for erosion og slid er materialer af hårdmetal et ideelt valg til brug i skæreværktøjer, og de kan også tilpasses ved at ændre silicium- eller kulstofindholdet, så de opfylder specifikke behov. Der findes en række kvaliteter, som kan opfylde specifikke anvendelseskrav ved at skræddersy egenskaber som siliciumindhold eller kulstofindhold i overensstemmelse hermed.

Siliciumcarbid bruges oftest som et slibemateriale, der producerer flagerlignende enkeltkrystaller ved hjælp af Lely-processen eller pulvere på 3 til 10 mikron til brug i forskellige industrielle anvendelser som slibning, honing og sandblæsning.