Apa Itu Silikon Karbida?

Silikon karbida adalah bahan yang sangat keras dan kuat dengan kepadatan tinggi, ketahanan korosi yang luar biasa, dan sifat tribologi yang luar biasa. Tersedia dalam bentuk sinter dan ikatan reaksi.

Sintering tanpa tekanan memberikan densifikasi yang tinggi melalui pengurangan energi permukaan butiran akibat reaksi boron dan karbon1, tetapi suhu yang tinggi menyebabkan pertumbuhan butiran yang berlebihan yang mengganggu sifat mekanik.

Kekuatan

Silikon karbida, biasanya disebut sebagai karborundum, adalah senyawa kimia keras yang terdiri dari silikon dan karbon yang terjadi secara alami dalam mineral langka seperti moissanite; namun, lebih umum diproduksi secara massal sebagai bubuk dan butiran untuk digunakan sebagai bahan abrasif dan pelat keramik pada rompi antipeluru. Carborundum dapat menahan suhu tinggi namun tetap tahan terhadap bahan kimia - termasuk ketahanan terhadap asam seperti asam fosfat, sulfat, dan nitrat.

Silikon karbida yang disinter telah digunakan secara luas di berbagai industri, mulai dari kedirgantaraan hingga astronomi, karena sifat insulasi termalnya yang luar biasa. Bahan tahan api silikon karbida yang disinter juga memiliki daya tahan yang mengesankan dan dapat dikerjakan secara presisi menggunakan peralatan mahal untuk toleransi presisi.

Keramik silikon karbida tersedia dalam dua jenis, terikat secara reaktif dan disinter. Silikon karbida yang diikat secara reaktif diproduksi dengan menyusupkan komposit yang terdiri dari SiC dan karbon dengan silikon cair, menciptakan lebih banyak SiC yang berikatan dengan partikel awal yang membentuk lebih banyak partikel silikon karbida berikatan reaksi yang lebih mudah melekat daripada partikel yang disinter, namun tetap hemat biaya karena berkurangnya kekuatan dan kekerasan.

Silikon karbida yang disinter diproduksi dengan memanaskan bahan mentah hingga suhu yang sangat tinggi dalam atmosfer lembam, mengubahnya menjadi bahan yang sangat kuat yang dapat digunakan dalam berbagai aplikasi seperti suku cadang untuk pompa pasir dan siklon pertambangan. Selain itu, bahan ini memiliki ketahanan korosi yang sangat baik serta sifat ekspansi termal yang rendah.

Kekerasan

Reaction bonded silicon carbide (RSiC) diproduksi dengan menekan dan menyinter (memanaskan) partikel serbuk secara bersamaan, menciptakan sepotong material padat dengan kekuatan, kekerasan, ketahanan terhadap korosi dan oksidasi yang tinggi - meskipun tidak sekeras silikon karbida yang disinter.

Silikon karbida yang disinter adalah keramik teknis dengan ikatan kovalen yang kuat, memberikan sifat mekanis yang sangat baik pada suhu tinggi. Bahan ini memiliki kekerasan dan ketahanan aus yang hebat serta ketahanan terhadap korosi kimia, oksidasi dan goncangan termal, serta konduktivitas termal yang sangat baik, sehingga cocok untuk digunakan di lingkungan yang keras.

Sintering fase cair menghasilkan material dengan kemurnian tinggi dengan struktur mikro yang merata, lebih kompak daripada proses sintering solid state. Perubahan ukuran selama densifikasi minimal; bagian yang presisi dengan bentuk yang kompleks dapat diproduksi. Aditif sintering boron dan karbon dapat memodifikasi energi batas butir dan energi permukaan sekaligus meningkatkan laju difusi volume dan membatasi pembentukan kaca di antara butir.

Hasil sintering solid-state memiliki ketahanan mulur tekan yang lebih unggul daripada rekan-rekan konvensionalnya karena peningkatan energi kinetik silikon kristal dan percepatan gerakan dislokasi di dalam wilayah granular, serta peningkatan konsentrasi silikon logam yang membantu mengurangi laju mulur dengan memperlambat difusi SiC melintasi batas butir.

Ketahanan Korosi

Silikon karbida menawarkan ketahanan yang sangat baik terhadap korosi, oksidasi, dan keausan - kualitas yang membuatnya menjadi pilihan bahan yang cocok untuk lingkungan yang keras di mana bahan lain dapat rusak seiring waktu. Selain itu, silikon karbida dapat menahan suhu hingga 1.900 derajat C yang membuatnya cocok untuk pemrosesan kimia di mana peralatan dapat bersentuhan dengan bahan kimia yang sangat asam dan gas yang lebih mudah terkorosi daripada yang diharapkan.

Baik silikon karbida yang disinter dalam keadaan padat (SSiC) maupun keramik silikon karbida yang disusupi silikon telah terbukti stabil dalam berbagai larutan kimia, meskipun yang terakhir ini memiliki stabilitas korosi yang lebih rendah karena adanya silikon bebas. Untuk mengeksplorasi mekanisme ini, kami melakukan eksperimen korosi jangka pendek dan jangka panjang pada SiSiC dalam larutan NaOH dengan menggunakan pengukuran kedalaman korosi yang akurat pada permukaan yang dipoles serta pemindaian mikroskop elektron pada produk korosinya.

Silikon karbida berikat reaksi (RBSiC) diproduksi dengan menyusupkan silikon cair ke dalam karbon berpori atau bentuk awal grafit dan mereaksikannya menjadi SiC. RBSiC berbeda dari SSiC yang lebih mahal dalam beberapa hal; untuk satu hal, ia memiliki kekuatan dan kekerasan yang lebih rendah tetapi harganya jauh lebih murah untuk diproduksi dan lebih mudah ditembus oleh gas dan cairan; ia juga memiliki ketahanan yang baik terhadap abrasi, korosi, dan tahan guncangan termal untuk memungkinkan penggunaannya dalam aplikasi seperti nosel pembakar atau tabung jet dan api; akhirnya, ia juga memiliki ketahanan guncangan termal yang baik untuk memungkinkan perubahan suhu yang cepat tanpa terpengaruh.

Konduktivitas Termal

Silikon karbida yang disinter memiliki salah satu konduktivitas termal tertinggi di antara bahan keramik non-oksida, sehingga cocok untuk aplikasi yang melibatkan suhu tinggi seperti deposisi uap kimia (CVD) SiC atau aplikasi silikon karbida berikatan reaksi.

Terletak di dekat inti, struktur kristalnya membantu meningkatkan konduktivitas termal untuk keramik berkinerja termal tinggi. Mampu menahan beban suhu tinggi dengan sedikit kerusakan dan ketahanan terhadap korosi, oksidasi, dan kelelahan - bahan ini merupakan pilihan bahan yang sangat baik untuk aplikasi seal pompa karena dapat tetap tahan terhadap tekanan dan suhu dalam waktu lama.

Jenis keramik ini juga memiliki ketangguhan yang unggul, yang berarti dapat menahan benturan dan getaran lebih baik daripada bahan keramik lainnya. Selain itu, kekuatan dan ketahanan oksidasinya termasuk di antara yang tertinggi dalam kategorinya.

Liquid Phase Sintering (LPS) adalah teknik inovatif untuk memadatkan silikon karbida menggunakan aditif sintering oksida eutektik untuk memadatkan pada suhu yang lebih rendah dari biasanya, sehingga menghemat biaya produksi sekaligus mengurangi porositas pada produk jadi.

Gambar HRTEM dari sampel LPS-SiC dengan aditif sintering yang berbeda menunjukkan bagaimana peningkatan penambahan aditif meratakan distribusi fase cair di antara butiran SiC, yang mengarah pada densifikasi, kepadatan relatif yang lebih tinggi, dan peningkatan resistivitas listrik, yang merupakan sifat penting untuk aplikasi yang menggunakan frekuensi gelombang mikro dan gelombang milimeter.