Bruksområder for silisiumkarbid

Silisiumkarbid er et ekstremt nyttig materiale som brukes i en rekke industrier. Selv om det finnes naturlig i form av moissanittmineralforekomster, foregår det meste av produksjonen av silisiumkarbid (SC) i dag syntetisk.

Med sin høye bruddspenning og lave påslåingsmotstand er silisiumskiver utmerkede komponenter for halvlederenheter. I tillegg er de korrosjonsbestandige, noe som gjør at de tåler både høye temperaturer og korrosjonsrelaterte problemer.

Slipende verktøy

Silisiumkarbid (ofte kalt "karborundum") er et slitesterkt keramisk materiale med eksepsjonell styrke ved høye temperaturer og varmeutvidende egenskaper. Det er derfor mye brukt til sandblåsing der det er nødvendig med slitesterke og langvarige slipemidler for å fjerne rust, klargjøre produkter for maling eller fjerne gammel overflatebehandling fra overflater. Vanligvis formes det til et kantet, kornformet korn før det varmes opp til 1200-1400 grader for å limes sammen til løse eller faste slipeprodukter.

Slipemidler av silisiumkarbid produseres gjennom en prosess som kalles karbotermisk reduksjon. I denne prosessen varmes en blanding av ren silikasand, koks og salt opp i en elektrisk motstandsovn til karbonholdige stoffer fungerer som en elektrode og binder seg kjemisk til silikamolekylene for å danne karborundumkorn. Når oppvarmingen er ferdig, males dette grønne kornet ytterligere ned før partikkelstørrelsen klassifiseres for å sikre at produktene som produseres, tilfredsstiller spesifikke industri- og kundebehov.

Silisiumkarbid skiller seg ut blant de andre slipematerialene ved å være ekstremt hardt, med en hardhetsgrad på 9 på Mohs' skala (kun overgått av diamant og borkarbid). På grunn av denne eksepsjonelle hardheten er silisiumkarbid et ideelt materiale for kutting eller sliping av harde og sprø materialer med minimalt behov for kraft.

I tillegg til å brukes til blåsing, er slipemidler av silisiumkarbid et ideelt valg for sliping av metaller, stein, glass, kork, trestoffer og plast. Selv om de er mindre motstandsdyktige enn aluminiumoksid, gjør de sylskarpe slipekornene det enkelt å skjære gjennom disse materialene ved lett trykk. Silisiumkarbid finnes også i slipeskiver, sandpapir, slipeskiver av glass og harpiks samt sandblåsemunnstykker.

Skjæreverktøy

Silisiumkarbid brukes i stor utstrekning som slipemateriale i slipeskiver, skjæreverktøy, sandpapir og keramiske produksjonsprosesser. Også keramikkindustrien har stor nytte av dette ekstremt harde materialet, siden hardheten gjør det mulig å maskinere eller skjære i det ved hjelp av ulike verktøy for å oppnå spesifikke former eller overflater. På grunn av kostnadseffektiviteten og slitestyrken har det blitt et attraktivt materialvalg for å lage slipende materialer med lang levetid, for eksempel slipeskiver.

Silisiumkarbid brukes ofte til å lage bore- og maskineringsverktøy, inkludert massive bor og vendbare innsatsbor, for skjæring i metaller som stål og aluminiumslegeringer, samt høytemperaturmaterialer som titan eller nikkellegeringer. Takket være hardheten skader disse materialene sjelden verktøyene, selv under høyhastighetsbearbeiding.

Silisiumkarbid har et høyt smeltepunkt og varmeledningsevne, noe som gjør det svært motstandsdyktig mot slitasje, korrosjon og andre kjemiske prosesser i forbindelse med maskineringsprosesser. Dets motstandsdyktighet gjør at det kan skjære i en rekke ulike materialer, fra metaller og kompositter til keramikk.

Zirkoniaforsterket aluminiumoksid og kromforsterket aluminiumoksid er eksempler på keramiske materialer som har vist seg å være bedre enn wolframkarbid til bruk i skjæreverktøy for harde og sprø materialer på grunn av høyere hardhet, trykkfasthet, kjemisk inertitet ved høye temperaturer og høyere varmeledningsevne, noe som gir raskere varmespredning og dermed mindre risiko for varmeskader på arbeidsstykker og lengre levetid på verktøyene [3]. [4,5]

Varmebestandige materialer

Silisiumkarbid er et allsidig materiale som brukes til alt fra slipemidler og ildfaste materialer til keramikk og høyytelsesapplikasjoner. Keramiske matrikskompositter bestående av silisiumkarbidforsterkede metall- og polymerdeler kan øke ytelsen samtidig som de gir varmebestandighet; keramikkforsterkede aluminiumlegeringer gir dobbelt så høy styrke og 20% mer varmebestandighet sammenlignet med rene aluminiumlegeringer, samtidig som de er to tredjedeler lettere.

SiC er et ekstremt hardt og kjemisk motstandsdyktig materiale. Det har utmerket varmeledningsevne, god slitestyrke og varmeledningsevne, og bare diamant og borkarbid kan måle seg med det når det gjelder hardhet. Kombinasjonen av disse egenskapene gjør SiC til et ideelt materialvalg ved produksjon av keramiske slipeprodukter som slipeskiver og skjæreverktøy. I tillegg brukes det ofte i ildfaste materialer og keramikk på grunn av kombinasjonen av termisk motstand (høy varmebestandighet) og mekanisk slitestyrke (slitestyrke).

Silisiumkarbid har unike egenskaper som gjør det til et attraktivt materiale for produksjon av høyhastighetsenheter, blant annet et høyt kritisk skredfelt og et bredt båndgap som gjør det mulig å levere mer effekt med færre seriekoblede enheter, noe som reduserer kostnadene og systemkompleksiteten, samtidig som den lave tilstandsmotstanden begrenser konverteringstapet og øker enhetens pålitelighet.

SiC kjennetegnes av kombinasjonen av silisium- og karbonatomer i strukturen, noe som gir det unike elektriske og termiske egenskaper. Det er inert mot syrer og baser samt høye temperaturer, og fremstillingsmetodene omfatter reaksjonsbinding i tillegg til konvensjonelle keramiske prosesser som varmpressing og trykkløs sintring. Det kan formes og dimensjoneres i henhold til tiltenkt bruk, og sintringsprosessen er relativt enkel og gir sintrede legemer med høy tetthet og mekaniske egenskaper, der den endelige mikrostrukturen kan styres gjennom valg av sintringshjelpemiddel, tilsetning av bindemiddel og press- og sintringsbetingelser.

Slitesterke materialer

Silisiumkarbid er et ekstremt hardt materiale med utmerket slitestyrke og mekanisk styrke, noe som gjør det egnet for ulike bruksområder over et bredt temperaturspekter. Den sterke trykkfastheten gjør det dessuten slitesterkt mot mekaniske påkjenninger som kan oppstå over tid, noe som gjør det til et ideelt materiale for industrielle bruksområder der det kan forekomme tunge belastninger eller høye hastigheter.

Silisiumkarbid (SiC) er et av de letteste og hardeste keramiske materialene. Den lagdelte krystallstrukturen består av silisium- og karbonatomer som er bundet sammen via en tetraedrisk bindingskonfigurasjon for å danne ulike polytyper med forskjellige egenskaper; alfaformen (a-SiC), med sin sekskantede krystallstruktur som ligner på Wurtzite, er vanlig i industrielle anvendelser, mens betaformen (zn-blende-krystallstruktur) er mer uvanlig.

Silisiumkarbid har overlegen slitestyrke sammenlignet med ståltyper, men nitridbundet silisiumkarbid har mye lavere slitestyrke ved støt, noe som begrenser den utbredte bruken som jordarbeidende deler.

Reaksjonsbundet silisiumkarbid (RBSC) er et komposittmateriale som er utviklet for bruksområder som krever eksepsjonell slitestyrke, utmerkede ildfaste egenskaper, kjemisk stabilitet og et sterkt styrke/vekt-forhold. RBSC kan formes til komplekse former med utmerket styrke/vekt-forhold, samtidig som det er oksidasjonsbestandig og temperaturbestandig - ideelt for sliping og skjæring i ildfaste materialer. Det brukes ofte i slipemaskiner som brukes til denne oppgaven.

Materialer med høy temperatur

Materialvalg for krevende bruksområder krever at man velger materialer med høy termisk og kjemisk motstandskraft. Silisiumkarbid har derfor blitt et av de foretrukne valgene blant gruvedrift, oljeraffinering og pumpeanlegg.

På grunn av sin overlegne temperaturstabilitet gir keramisk materiale eksepsjonell styrke og integritet, selv under høye temperaturer. Dessuten er det motstandsdyktig mot korrosjon og kjemiske angrep, noe som gjør det til et utmerket valg for bruk i miljøer som krever høye renhetsnivåer, for eksempel halvlederproduksjon.

Silisiumkarbidets egenskaper som teknisk keramikk bestemmes av krystallstrukturen. Polytyper kan ha ulike egenskaper på grunn av forskjeller i båndgap. Båndgapet bestemmer hvordan lys kan absorberes eller sendes ut fra materialer; materialer med brede båndgap har en tendens til å ha høyere transmisjonshastigheter, mens materialer med smalere båndgap vanligvis opplever reduserte transmisjonshastigheter.

Silisiumkarbidets varmeledningsevne på opptil 4,9 watt per kvadratmeter kelvin er en av de viktigste egenskapene for mange bruksområder, ettersom det gjør at materialet tåler høye temperaturer med letthet. Denne egenskapen er spesielt viktig når det brukes som ildfaste materialer eller slitesterke deler der høy termisk stabilitet er avgjørende.

Silisiumkarbid har høyere spenningsmotstand enn silisium, noe som gjør det til et attraktivt materialvalg for høyspente elektriske komponenter som halvledere og trykksensorer, der det kan oppstå sprekkdannelser ved høyere spenninger; motstanden er 10 ganger høyere enn i 1000 V-systemer sammenlignet med henholdsvis silisium og galliumnitrid.