Silīcija karbīda lietojumprogrammas

Silīcija karbīds ir ārkārtīgi noderīgs materiāls, ko izmanto daudzās nozarēs. Lai gan dabā tas sastopams kā moissanīta minerāla nogulumi, mūsdienās lielākā daļa silīcija karbīda (SC) tiek ražota sintētiski.

Pateicoties augstajam izlādes spriegumam un zemajai ieslēgšanās pretestībai, silīcija plāksnes ir lieliski komponenti pusvadītāju ierīcēm. Turklāt to izturība pret koroziju nodrošina, ka tās spēj izturēt gan augstas temperatūras, gan ar koroziju saistītas problēmas.

Abrazīvie instrumenti

Silīcija karbīds (parasti saukts par “karborundumu”) ir izturīgs keramikas materiāls ar izcilām izturības īpašībām augstās temperatūrās un termiskās izplešanās īpašībām. Tādēļ to plaši izmanto abrazīvās strūklas apstrādē, kur nepieciešami izturīgi un ilgmūžīgi abrazīvie materiāli, lai noņemtu rūsas slāni, sagatavotu izstrādājumus krāsošanai vai noņemtu vecos apdares slāņus no virsmām. Parasti to veido kā leņķveida graudveida smiltis, pirms tās tiek uzkarsētas līdz 1200–1400 degF, lai tās varētu saistīt brīvos vai cietos abrazīvos produktos.

Silīcija karbīda abrazīvie materiāli tiek ražoti procesā, kas pazīstams kā karbotermiskā reducēšana. Lai to paveiktu, tīra kvarca smilšu, koksa un sāls maisījumu uzkarsē elektriskajā pretestības krāsnī, līdz tā oglekļa saturošās vielas darbojas kā elektrods un ķīmiski savienojas ar kvarca molekulām, veidojot karborunduma graudus. Pēc karsēšanas pabeigšanas šīs neapstrādātās graudiņas tiek turpmāk samaltas, un pēc tam, veicot daļiņu izmēra klasificēšanu, tiek nodrošināts, ka ražotie produkti atbilst konkrētām rūpniecības un klientu vajadzībām.

Silīcija karbīds izceļas starp citiem abrazīvajiem materiāliem ar savu ārkārtējo cietību, kas pēc Mosa skalas ir 9 (to pārspēj vienīgi dimants un bora karbīds). Pateicoties šai izcilajai cietībai, silīcija karbīds ir ideāls materiāls cietu un trauslu materiālu griešanai vai slīpēšanai, kam nepieciešams minimāls spēks.

Papildus izmantošanai strūklas apstrādē silīcija karbīda abrazīvi ir ideāla izvēle metālu, akmens, stikla, korķa, koka materiālu un plastmasas slīpēšanai un pulēšanai. Lai gan tie nav tik izturīgi kā to alumīnija oksīda analogi, to asu kā žilete abrazīvie graudi ļauj ar nelielu spiedienu viegli pārgriezt šos materiālus. Silīcija karbīdu var atrast arī slīpēšanas diskos, smilšpapīrā, keramiskajos un sveķu slīpēšanas diskos, kā arī smilšu strūklas sprauslās.

Griešanas instrumenti

Silīcija karbīds tiek plaši izmantots kā abrazīvs materiāls slīpēšanas diskiem, griešanas instrumentiem, smilšpapīram un keramikas ražošanas procesos. Arī keramikas ražošanā šis ārkārtīgi cietais materiāls tiek plaši izmantots – tā cietība ļauj to apstrādāt vai izgriezt, izmantojot dažādus instrumentus, lai iegūtu konkrētas formas vai apdari. Pateicoties tā izmaksu efektivitātei un nodilumizturībai, tas ir kļuvis par pievilcīgu materiāla izvēli ilgtermiņa abrazīvo materiālu, piemēram, slīpēšanas disku, ražošanai.

Silīcija karbīdu parasti izmanto urbšanas un mehāniskās apstrādes instrumentu izgatavošanai, tostarp cietajiem urbiem un urbiem ar maināmiem ieliktņiem, lai grieztu tādus metālus kā tērauds un alumīnija sakausējumi, kā arī augsttemperatūras materiālus, piemēram, titānu vai niķeļa sakausējumus. Pateicoties šī materiāla cietībai, šie materiāli reti kad bojā šos instrumentus pat augstas ātruma apstrādes darbību laikā.

Silīcija karbīdam piemīt augsta kušanas temperatūra un siltumvadītspēja, tādēļ tas ir ļoti izturīgs pret nodilumu, koroziju un citiem ķīmiskajiem procesiem, kas saistīti ar mehānisko apstrādi. Tādējādi tā izturība ļauj ar to griezt dažādus materiālus — sākot no metāliem un kompozītmateriāliem līdz pat keramikai.

Cirkona oksīda nostiprināts alumīnija oksīds un hroma oksīda nostiprināts alumīnija oksīds ir piemēri keramikas materiāliem, kas, pateicoties to lielākajai cietībai, spiedes izturībai, ķīmiskās inercijas paaugstinātās temperatūrās, kā arī augstākas siltumvadītspējas, kas ļauj ātrāk izkliedēt siltumu, tādējādi samazinot termisko bojājumu risku apstrādājamajiem materiāliem un nodrošinot ilgāku instrumentu kalpošanas laiku [3]. [4,5]

Karstumizturīgi materiāli

Silīcija karbīds ir daudzpusīgs materiāls, ko izmanto dažādiem mērķiem — sākot no abrazīviem un ugunsizturīgiem materiāliem līdz keramikai un augstas veiktspējas lietojumiem. Keramikas matricas kompozītmateriāli, kas sastāv no ar silīcija karbīdu pastiprinātām metāla un polimēra detaļām, var uzlabot veiktspēju, vienlaikus nodrošinot siltumizturību; ar keramiku pastiprināti alumīnija sakausējumi nodrošina divreiz lielāku izturību un 20% lielāku siltumizturību salīdzinājumā ar tīriem alumīnija sakausējumiem, vienlaikus saglabājot divas trešdaļas mazāku svaru.

SiC ir ārkārtīgi cietais un ķīmiski izturīgs materiāls. Tam piemīt izcila siltumvadītspēja, laba nodilumizturība un siltumvadītspējas īpašības; cietības ziņā ar to var salīdzināt vienīgi dimantu un bora karbīdu. Tā kā SiC apvieno šādas īpašības, tas ir ideāls materiāls keramisko abrazīvo izstrādājumu, piemēram, slīpēšanas disku un griešanas instrumentu, ražošanai; turklāt to bieži izmanto ugunsizturīgos materiālos un keramikā, jo tas apvieno siltuma izturību (augstu karstumizturību) ar mehānisko izturību (izturību pret nodilumu).

Silīcija karbīda unikālās īpašības padara to par pievilcīgu materiālu ātrdarbīgu jaudas ierīču ražošanai, jo tam piemīt augsts kritiskais lavīnas pārrāvuma lauks un plaša enerģijas sprauga, kas ļauj nodrošināt lielāku jaudu, izmantojot mazāku skaitu sērijā savienotu ierīču, tādējādi samazinot izmaksas un sistēmas sarežģītību, savukārt tā zemā pretestība darba stāvoklī ierobežo pārveides zudumus un palielina ierīces uzticamību.

SiC izceļas ar silīcija un oglekļa atomu kombināciju savā struktūrā, kas tam piešķir unikālas elektriskās un termiskās īpašības. Tas ir inerts pret skābēm un sārmiem, kā arī pret augstām temperatūrām, un tā ražošanas metodes ietver reakcijas saiti, kā arī tradicionālos keramikas procesus, piemēram, karstā presēšanu un presēšanu bez spiediena. Formas un izmērus var veidot atbilstoši paredzētajam lietojumam; tā saķepināšanas process ir salīdzinoši vienkāršs, radot saķepinātus izstrādājumus ar augstas blīvuma mehāniskajām īpašībām, kuru galīgo mikrostruktūru var kontrolēt, izvēloties saķepināšanas palīgvielu, saistvielas piedevu, kā arī presēšanas un saķepināšanas apstākļus.

Nodilumizturīgi materiāli

Silīcija karbīds ir ārkārtīgi cietais materiāls ar izcilu nodilumizturību un mehānisko izturību, tādēļ tas ir piemērots dažādiem pielietojumiem plašā temperatūru diapazonā. Turklāt tā augstā spiedes izturība nodrošina izturību pret mehānisko slodzi, kas var rasties laika gaitā; tādējādi šis materiāls ir ideāla izvēle rūpnieciskajiem pielietojumiem, kur var būt lielas slodzes vai augsti ātrumi.

Silīcija karbīds (SiC) ir viens no vieglākajiem un cietākajiem keramikas materiāliem. Tā slāņveida kristālstruktūra sastāv no silīcija un oglekļa atomiem, kas savienoti tetraedriska saites konfigurācijā, veidojot dažādus polimorfus ar atšķirīgām īpašībām; alfa forma (a-SiC) ar sešstūra kristālstruktūru, kas līdzīga vurtzitam, parasti tiek izmantota rūpniecībā, savukārt beta forma (zn blendes kristālstruktūra) ir retāk sastopama.

Salīdzinājumā ar tērauda veidiem silīcija karbīds nodrošina izcilu nodilumizturību; tomēr nitrīda saistīta silīcija karbīda izturība pret triecienu nodilumu ir daudz zemāka – tas ierobežo tā plašu izmantošanu augsnes apstrādes detaļās.

Reakcijas ceļā saistītais silīcija karbīda (RBSC) kompozītmateriāls ir paredzēts lietojumiem, kuros nepieciešama izcila nodilumizturība, lieliskas ugunsizturības īpašības, ķīmiskā stabilitāte un augsts izturības un svara attiecības rādītājs. RBSC var veidot sarežģītās formās ar izcilu izturības un svara attiecību, vienlaikus saglabājot izturību pret oksidāciju un temperatūru – tas ir ideāli piemērots ugunsizturīgu materiālu slīpēšanai un griešanai. To parasti izmanto šim nolūkam paredzētajās slīpēšanas mašīnās.

Augsttemperatūras materiāli

Materiālu izvēle darbam nelabvēlīgos apstākļos prasa izvēlēties materiālus ar augstu termisko un ķīmisko izturību; tieši šī iemesla dēļ silīcija karbīds ir kļuvis par vienu no visbiežāk izvēlētajiem materiāliem kalnrūpniecībā, naftas pārstrādes uzņēmumos un sūkņu iekārtās.

Pateicoties izcilajai temperatūras stabilitātei, keramikas materiāls nodrošina izcilu izturību un integritāti pat augstas temperatūras ietekmē. Turklāt tā izturība pret koroziju un ķīmisko iedarbību padara to par lielisku izvēli izmantošanai vidēs, kurās nepieciešams augsts tīrības līmenis, piemēram, pusvadītāju ražošanā.

Silīcija karbīda īpašības kā tehniskajai keramikai nosaka tā kristāliskā struktūra; polimorfiem var būt atšķirīgas īpašības, ko nosaka atšķirības enerģijas spraugā. Enerģijas sprauga nosaka, kā materiāli var absorbēt vai izstarot gaismu; materiāliem ar plašu enerģijas spraugu parasti ir augstāks caurlaidības koeficients, savukārt materiāliem ar šaurāku enerģijas spraugu caurlaidības koeficients parasti ir zemāks.

Silīcija karbīda siltumvadītspēja, kas sasniedz līdz pat 4,9 vatiem uz kvadrātmetru kelvinā, ir viena no tā galvenajām īpašībām daudzos pielietojumos, jo tā ļauj materiālam viegli izturēt augstas temperatūras apstākļus. Šī īpašība ir īpaši svarīga, ja to izmanto kā ugunsizturīgus materiālus vai nodilumizturīgas detaļas, kurām ir būtiska augsta termiskā stabilitāte.

Silīcija karbīda augstāka izturība pret spriegumu salīdzinājumā ar silīciju padara to par pievilcīgu materiāla izvēli augstsprieguma elektriskajām detaļām, piemēram, pusvadītājiem un spiediena sensoriem, kuros pie augstākiem spriegumiem varētu rasties plaisāšana; tā izturība 10 reizes pārsniedz 1000 V sistēmu izturību, salīdzinot attiecīgi ar silīciju un gallija nitrīdu.