Hva er silisiumkarbid?

Silisiumkarbid er et ekstremt hardt og sterkt materiale med høy tetthet, eksepsjonell korrosjonsbestandighet og fremragende tribologiske egenskaper. Tilgjengelig i både sintret og reaksjonsbundet form.

Trykkfri sintring gir høy fortetning gjennom reduksjon av kornenes overflateenergi på grunn av bor- og karbonreaksjon1, men den høye temperaturen fører til overdreven kornvekst som svekker de mekaniske egenskapene.

Styrke

Silisiumkarbid, ofte kalt karborundum, er en hard kjemisk forbindelse som består av silisium og karbon, og som forekommer naturlig i sjeldne mineraler som moissanitt, men som oftest masseproduseres det som pulver og granulat til bruk som slipemiddel og keramiske plater i skuddsikre vester. Karborundum tåler høye temperaturer samtidig som det er kjemisk motstandsdyktig - blant annet mot syrer som fosforsyre, svovelsyre og salpetersyre.

Sintret silisiumkarbid har funnet bred anvendelse i alle bransjer, fra romfart til astronomi, på grunn av dets bemerkelsesverdige varmeisolerende egenskaper. Sintret silisiumkarbid er også et ildfast materiale med imponerende holdbarhet og kan bearbeides med presisjonstoleranser ved hjelp av kostbart utstyr.

Keramisk silisiumkarbid finnes i to varianter, reaktivt bundet og sintret. Reaktivt bundet silisiumkarbid produseres ved å infiltrere kompakter bestående av SiC og karbon med flytende silisium, noe som skaper mer SiC som binder seg til de opprinnelige partiklene og danner flere reaktivt bundne silisiumkarbidpartikler som fester seg lettere enn de sintrede motstykkene, men som likevel er kostnadseffektive på grunn av redusert styrke og hardhet.

Sintret silisiumkarbid produseres ved å varme opp råmaterialer til ekstremt høye temperaturer i en inert atmosfære, noe som omdanner dem til et ekstremt sterkt materiale som kan brukes i ulike bruksområder, for eksempel slitedeler til sandpumper og sykloner i gruvedrift. I tillegg har det utmerket korrosjonsbestandighet og lave termiske ekspansjonsegenskaper.

Hardhet

Reaksjonsbundet silisiumkarbid (RSiC) produseres ved å presse og sintre (varme opp) pulverpartikler sammen, noe som skaper et solid stykke materiale med høy styrke, hardhet, korrosjons- og oksidasjonsbestandighet - selv om det ikke er like hardt som sintret silisiumkarbid.

Sintret silisiumkarbid er en teknisk keramikk med sterke kovalente bindinger, noe som gir utmerkede mekaniske egenskaper ved høye temperaturer. Materialet har stor hardhet og slitestyrke, samt motstand mot kjemisk korrosjon, oksidasjon og termisk sjokk, sammen med svært god varmeledningsevne, noe som gjør det egnet for bruk i tøffe miljøer.

Væskefasesintring gir materialer med høy renhet og jevn mikrostruktur, som er mer kompakte enn fastfasesintringsprosesser. Størrelsesendringene under fortettingen er minimale, og det er mulig å produsere presise deler med komplekse former. Sintringstilsetninger av bor og karbon kan endre korngrensenergier og overflateenergier, samtidig som de forbedrer volumdiffusjonshastigheten og begrenser glassdannelsen mellom kornene.

Resultatene av sintring i fast tilstand har bedre motstand mot trykkryping enn konvensjonelle motstykker på grunn av en økning i den kinetiske energien til krystallinsk silisium og akselerasjon av dislokasjonsbevegelser i kornområdene, samt en økning i metallisk silisiumkonsentrasjon som bidrar til å redusere krypehastigheten ved å bremse diffusjonen av SiC over korngrensene.

Motstandsdyktighet mot korrosjon

Silisiumkarbid har utmerket motstand mot korrosjon, oksidasjon og slitasje - egenskaper som gjør det til et egnet materialvalg i tøffe miljøer der andre materialer kan brytes ned over tid. Silisiumkarbid tåler dessuten temperaturer på opptil 1900 °C, noe som gjør det egnet for kjemisk prosessering der utstyret kan komme i kontakt med svært sure kjemikalier og gasser som korroderer raskere enn forventet.

Både sintret silisiumkarbid i fast tilstand (SSiC) og silisiuminfiltrert silisiumkarbidkeramikk har vist seg å være stabile i ulike kjemiske løsninger, selv om sistnevnte har lavere korrosjonsstabilitet på grunn av fritt silisium. For å undersøke disse mekanismene utførte vi både korttids- og langtidskorrosjonseksperimenter på SiSiC i NaOH-løsning ved hjelp av både nøyaktige målinger av korrosjonsdybde på polerte overflater og skanningelektronmikroskopi av korrosjonsproduktene.

Reaksjonsbundet silisiumkarbid (RBSiC) produseres ved at flytende silisium infiltreres i porøse karbon- eller grafittpreformer og reagerer til SiC. RBSiC skiller seg fra det dyrere SSiC-motstykket på flere måter; for det første har det lavere styrke og hardhet, men koster betydelig mindre å produsere og er mer gjennomtrengelig for gasser og væsker; det har også god motstand mot slitasje, korrosjon og termisk sjokkmotstand, noe som gjør det mulig å bruke det i bruksområder som brennermunnstykker eller stråle- og flammerør; til slutt har det også god motstand mot termisk sjokk, noe som gjør at det kan tåle raske temperaturendringer uten å bli påvirket.

Termisk konduktivitet

Sintret silisiumkarbid har en av de høyeste varmeledningsegenskapene blant keramiske materialer som ikke er oksiderte, noe som gjør det egnet for bruksområder som involverer høye temperaturer, for eksempel kjemisk dampavsetning (CVD) av SiC eller reaksjonsbundet silisiumkarbid.

Den krystallinske strukturen i nærheten av kjernen bidrar til å øke varmeledningsevnen og gir keramikk med høy termisk ytelse. Dette materialet tåler høye temperaturer uten store skader og er motstandsdyktig mot korrosjon, oksidasjon og utmattelse - det er et utmerket materialvalg for pumpetetninger, siden det kan holde seg trykk- og temperaturbestandig over lengre perioder.

Denne typen keramikk har også overlegen seighet, noe som betyr at den tåler støt og vibrasjoner bedre enn andre keramiske materialer. I tillegg er styrken og oksidasjonsmotstanden blant de høyeste i sin kategori.

Væskefasesintring (LPS) er en innovativ teknikk for fortetting av silisiumkarbid ved hjelp av eutektiske oksidsintringstilsetninger som gjør det mulig å fortette ved lavere temperaturer enn tradisjonelt, noe som sparer produksjonskostnader samtidig som porøsiteten i det ferdige produktet reduseres.

HRTEM-bilder av LPS-SiC-prøver med ulike sintringstilsetninger viser hvordan økt tilsetning av tilsetningsstoffer jevner ut fordelingen av væskefasen blant SiC-kornene, noe som fører til fortetting, høyere relativ tetthet og forbedret elektrisk resistivitet, som er egenskaper som er kritiske for bruksområder som bruker mikrobølge- og millimeterbølgefrekvenser.