Kas yra silicio karbidas?

Silicio karbidas yra itin kieta ir tvirta medžiaga, pasižyminti dideliu tankiu, išskirtiniu atsparumu korozijai ir puikiomis tribologinėmis savybėmis. Galima tiek sukepinta, tiek reakciniu būdu surišta forma.

Sukepinimas be slėgio užtikrina didelį sutankinimą, nes dėl boro ir anglies reakcijos sumažėja grūdelių paviršinė energija1 , tačiau dėl aukštos temperatūros per daug padidėja grūdelių, o tai pablogina mechanines savybes.

Stiprumas

Silicio karbidas, paprastai vadinamas karborundu, yra kietas cheminis junginys, sudarytas iš silicio ir anglies, natūraliai randamas retuose mineraluose, pavyzdžiui, moisanite; tačiau dažniausiai jis masiškai gaminamas miltelių ir granulių pavidalu, naudojamas kaip abrazyvas ir neperšaunamų liemenių keraminės plokštelės. Karborundas gali atlaikyti aukštą temperatūrą ir išlikti atsparus cheminėms medžiagoms, įskaitant atsparumą tokioms rūgštims kaip fosforo, sieros ir azoto rūgštys.

Sukepintas silicio karbidas dėl savo puikių termoizoliacinių savybių plačiai taikomas įvairiose pramonės šakose - nuo aviacijos iki astronomijos. Sukepinta silicio karbido ugniai atspari medžiaga taip pat pasižymi įspūdingu patvarumu ir gali būti tiksliai apdirbama naudojant brangią įrangą, kad būtų užtikrintos tikslios tolerancijos.

Silicio karbido keramika būna dviejų rūšių - reaktyviai surišta ir sukepinta. Reaktyviai surištas silicio karbidas gaminamas infiltruojant iš SiC ir anglies sudarytus kompaktus skystu siliciu, todėl susidaro daugiau SiC, kuris jungiasi su pradinėmis dalelėmis, suformuodamas reaktyviai surišto silicio karbido daleles, kurios lengviau prilimpa nei sukepintos, tačiau dėl mažesnio stiprumo ir kietumo išlieka ekonomiškos.

Sukepintas silicio karbidas gaminamas kaitinant žaliavas inertinėje aplinkoje iki itin aukštos temperatūros, taip paverčiant jas itin tvirta medžiaga, kuri gali būti naudojama įvairiose srityse, pavyzdžiui, smėlio siurblių ir kalnakasybos ciklonų dylančioms dalims. Be to, jis pasižymi puikiu atsparumu korozijai ir mažo šiluminio plėtimosi savybėmis.

Kietumas

Reakcijos būdu surištas silicio karbidas (RSiC) gaminamas presuojant ir sukepinant (kaitinant) miltelių daleles, taip gaunamas vientisas medžiagos gabalas, pasižymintis dideliu stiprumu, kietumu, atsparumu korozijai ir oksidacijai, tačiau ne toks kietas kaip sukepintas silicio karbidas.

Sukepintas silicio karbidas yra techninė keramika, pasižyminti stipriomis kovalentinėmis jungtimis, todėl pasižymi puikiomis mechaninėmis savybėmis aukštoje temperatūroje. Ši medžiaga pasižymi dideliu kietumu ir atsparumu dilimui, taip pat atsparumu cheminei korozijai, oksidacijai ir šiluminiam smūgiui, taip pat labai geru šilumos laidumu, todėl tinka naudoti atšiaurioje aplinkoje.

Sukepinant skystosiomis fazėmis gaunamos didelio grynumo medžiagos, kurių mikrostruktūra yra tolygi ir kompaktiškesnė nei kietosios būsenos sukepinimo procesuose. Dydžio pokyčiai tankinimo metu yra minimalūs, todėl galima gaminti tikslias sudėtingų formų detales. Sukepinimo priedai - boras ir anglis - gali pakeisti grūdelių ribų energijas ir paviršiaus energijas, kartu padidindami tūrio difuzijos greitį ir apribodami stiklo susidarymą tarp grūdelių.

Kietosios būsenos sukepinimo rezultatai pasižymi didesniu atsparumu gniuždomajam šliaužimui nei įprastiniai analogai dėl padidėjusios kristalinio silicio kinetinės energijos ir pagreitėjusio dislokacijų judėjimo grūdelių srityse, taip pat dėl padidėjusios metalinio silicio koncentracijos, kuri padeda sumažinti šliaužimo greitį, nes sulėtina SiC difuziją per grūdelių ribas.

Atsparumas korozijai

Silicio karbidas pasižymi puikiu atsparumu korozijai, oksidacijai ir dėvėjimuisi - dėl šių savybių jis yra tinkama medžiaga atšiaurioje aplinkoje, kur kitos medžiagos ilgainiui gali suirti. Be to, silicio karbidas gali atlaikyti iki 1900 laipsnių C temperatūrą, todėl jis tinka cheminiam apdorojimui, kai įranga gali susidurti su labai rūgštinėmis cheminėmis medžiagomis ir dujomis, kurios koroduoja greičiau nei tikėtasi.

Nustatyta, kad tiek kietosios būsenos sukepintas silicio karbidas (SSiC), tiek silicio karbido keramika su silicio infiltracija yra stabilūs įvairiuose cheminiuose tirpaluose, nors pastarieji dėl laisvo silicio yra mažiau atsparūs korozijai. Siekdami ištirti šiuos mechanizmus, atlikome trumpalaikius ir ilgalaikius SiSiC korozijos eksperimentus NaOH tirpale, naudodami tikslius korozijos gylio matavimus poliruotuose paviršiuose ir skenuojančią elektroninę mikroskopiją, skirtą korozijos produktams tirti.

Reakcijos būdu surištas silicio karbidas (RBSiC) gaminamas infiltruojant skystą silicį į akytas anglies ar grafito formas ir jam reaguojant į SiC. RBSiC skiriasi nuo brangesnio analogo SSiC keliais aspektais; pirma, jis yra mažesnio stiprumo ir kietumo, tačiau jo gamyba kainuoja daug pigiau ir jis yra pralaidesnis dujoms ir skysčiams; jis taip pat pasižymi geru atsparumu dilimui, korozijai ir atsparumu šiluminiam smūgiui, todėl jį galima naudoti tokiose srityse kaip degiklių antgaliai arba reaktyviniai ir liepsnos vamzdžiai; galiausiai jis taip pat pasižymi geru atsparumu šiluminiam smūgiui, todėl gali būti greitai keičiamasi temperatūra ir tai neturi įtakos.

Šilumos laidumas

Sukepintas silicio karbidas pasižymi vienu didžiausių šiluminių laidumų tarp neoksidinių keraminių medžiagų, todėl tinka naudoti esant aukštai temperatūrai, pavyzdžiui, cheminio garų nusodinimo (CVD) SiC arba reakciniu būdu surišto silicio karbido srityse.

Netoli šerdies esanti kristalinė struktūra padeda padidinti šiluminį laidumą, todėl keramika pasižymi aukštomis šiluminėmis savybėmis. Ši medžiaga, galinti atlaikyti didelės temperatūros apkrovas, mažai pažeista ir atspari korozijai, oksidacijai ir nuovargiui, yra puikus medžiagos pasirinkimas siurblių sandarikliams, nes gali išlikti atspari slėgiui ir temperatūrai ilgą laiką.

Šios rūšies keramika taip pat pasižymi ypatingu tvirtumu, t. y. ji geriau nei kitos keraminės medžiagos atlaiko smūgius ir vibraciją. Be to, jos stiprumas ir atsparumas oksidacijai yra vieni didžiausių šioje kategorijoje.

Skystosios fazės sukepinimas (LPS) yra naujoviškas silicio karbido tankinimo metodas, kuriame naudojami eutektinių oksidų sukepinimo priedai, leidžiantys tankinti žemesnėje temperatūroje nei įprastai, taip taupant gamybos sąnaudas ir kartu mažinant galutinio gaminio porėtumą.

LPS-SiC bandinių su skirtingais sukepinimo priedais HRTEM vaizdai rodo, kaip didėjantis priedų kiekis išlygina skystosios fazės pasiskirstymą tarp SiC grūdelių, todėl vyksta tankėjimas, didėja santykinis tankis ir elektrinė varža, t. y. savybės, labai svarbios mikrobangų ir milimetrinių bangų dažnių taikymams.