Wiązany reakcyjnie węglik krzemu

Węglik krzemu spajany reakcyjnie (RBSC) to niezwykle wytrzymała i odporna ceramika, która znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach, takich jak silniki turbin gazowych i elementy zużywające się.

W procesie wiązania reakcyjnego porowaty materiał węglowy jest nasycany stopionym krzemem, co pozwala uzyskać elastyczny materiał hybrydowy o właściwościach ceramicznych, który można formować przy użyciu konwencjonalnych technik obróbki ceramiki, takich jak prasowanie, formowanie wtryskowe i wytłaczanie.

Wysoka czystość

Węglik krzemu (SiC) jest jednym z najtwardszych materiałów ceramicznych, zachowującym twardość i wytrzymałość nawet w podwyższonych temperaturach. SiC, jako materiał chemicznie obojętny i odporny na działanie rozpuszczalników, charakteryzuje się dobrą przewodnością cieplną – wynoszącą połowę wartości dla stali! Firma JJISCO wytwarza zarówno standardowe, jak i niestandardowe produkty z SiC, zapewniające optymalną wydajność dostosowaną do potrzeb przemysłowych.

Węglik krzemu spajany reakcyjnie (RBSC) powstaje z porowatej mieszaniny SiC i węgla, do której porów wniknął ciekły lub gazowy krzem, reagując z węglem i tworząc dodatkowy węglik krzemu, który wiąże ze sobą początkowe cząstki i tworzy gęste, wytrzymałe bryły o znacznie lepszej odporności na uderzenia i zużycie niż spiekany SiC, a jednocześnie zapewnia wyższą odporność na utlenianie w wysokich temperaturach niż SiC otrzymywany metodą CVD.

Elementy stalowe wytwarzane metodą wiązania reakcyjnego (RBSC) nie wymagają stosowania środków wspomagających spiekanie, które wprowadzają zanieczyszczenia do gotowego wyrobu, a tym samym obniżają jego wytrzymałość, co sprawia, że RBSC stanowi doskonałe rozwiązanie w zastosowaniach wymagających wysokiej czystości, takich jak elementy pieców dyfuzyjnych. Z tego procesu mogą również skorzystać uszczelnienia mechaniczne, elementy wyposażenia pieców, dysze palników i rury promiennikowe. Proces ten zapewnia również doskonałą stabilność temperaturową, która wydłuża żywotność poprzez ograniczenie degradacji spowodowanej reakcjami chemicznymi i utlenianiem; jest to szczególnie istotne w przypadku elementów narażonych na częste wahania temperatury podczas pracy; proces ten zapewnia zarówno odporność na zużycie i uderzenia, jak i odporność chemiczną.

Wysoka wytrzymałość

Węglik krzemu otrzymywany w procesie reakcyjnym (RB SiC) charakteryzuje się jedną z najwyższych wartości twardości w skali Mohsa spośród materiałów syntetycznych, co zapewnia mu wyjątkową trwałość. Dzięki temu RB SiC jest w stanie wytrzymać zarówno silne uderzenia, jak i szybkie ścieranie w warunkach wysokich temperatur; wydłuża to jego żywotność w górnictwie oraz w innych gałęziach przemysłu, w których panują wysokie temperatury. Ponadto odporność na utlenianie i korozję sprawia, że RB SiC idealnie nadaje się do zastosowań chemicznych.

Węglik krzemu wytwarzany metodą wiązania reakcyjnego powstaje poprzez infiltrację stopionego krzemu do porowatych preform węglowych lub grafitowych, gdzie reaguje on z węglem, tworząc dodatkowe cząstki SiC, które następnie wiążą się z powrotem z pierwotną matrycą z węglika krzemu. Ta metoda produkcji ceramiki jest znacznie szybsza niż tradycyjne metody oparte na stosowaniu środków spiekających w celu stopienia gęstego proszku w gęste bryły; jej wynikiem są materiały o wysokiej trwałości, charakteryzujące się wyjątkową tolerancją wymiarową po wypaleniu oraz doskonałą wytrzymałością mechaniczną.

Węglik krzemu spajany reakcyjnie (RB SiC) jest znacznie tańszy i charakteryzuje się mniejszą twardością w porównaniu z węglikiem krzemu spiekanym, dzięki czemu nadaje się do zastosowań wymagających większej porowatości lub przepuszczalności gazów i cieczy. Węglik krzemu spajany reakcyjnie charakteryzuje się również wyjątkową odpornością na szok termiczny – co oznacza, że może wytrzymać gwałtowne wahania temperatury bez utraty wytrzymałości ani właściwości – co sprawia, że RB SiC jest doskonałym materiałem do pomp, uszczelnień mechanicznych, łożysk i innych urządzeń przemysłowych.

Wysoka plastyczność

Wiązanie reakcyjne to technika formowania ceramiki polegająca na nasycaniu porowatych, węglowych preform ciekłym krzemem, który wchodzi w reakcję z węglem, tworząc dodatkową warstwę SiC, co powoduje sklejenie pierwotnego materiału węglowego.

Proces ten pozwala uzyskać znacznie większą plastyczność niż w przypadku procesów konwencjonalnych i umożliwia wytwarzanie złożonych wyrobów z RBSC o kształcie zbliżonym do docelowego w znacznie niższych temperaturach.

Tradycyjne spiekanie RBSC wymaga bardzo wysokich temperatur; w zależności od zastosowanej metody (spajanie reakcyjne, prasowanie na gorąco lub bezciśnieniowe) temperatury mogą przekraczać 2200°C. Jednak wraz z pojawieniem się technologii spajania reakcyjnego proces ten można obecnie przeprowadzać w znacznie niższych temperaturach.

Aby zmaksymalizować wytrzymałość na zginanie, ciekły krzem musi przenikać przez kanały kapilarne bez ich zatykania. Typowy proces polega na połączeniu proszku a-SiC z grafitem lub spoiwem organicznym, które zwiększa egzotermiczność procesu infiltracji; prowadzi to do powstania faz B-C-SiC oraz zmniejszenia ilości krzemu resztkowego [5].

W technologii Gelcasting wykorzystuje się układy żelujące do kształtowania mikrostruktury i właściwości mechanicznych produktów końcowych. Akryloamid (AM), najczęściej stosowany monomer w tym zastosowaniu, wykazuje jednak działanie neurotoksyczne z powodu hamowania procesu jego polimeryzacji przez tlen, co wymaga zastosowania nietoksycznych układów żelujących jako alternatywy.

Niższa gęstość

Węglik krzemu spajany reakcyjnie charakteryzuje się mniejszą twardością i wytrzymałością niż węglik spiekany, ale zapewnia doskonałą odporność na zużycie, wysoką temperaturę i działanie substancji chemicznych. Dostępny w różnych kształtach, rozmiarach i tolerancjach węglik krzemu spajany reakcyjnie jest materiałem o wszechstronnym zastosowaniu, idealnym do uszczelnień mechanicznych, łożysk, rur, dławików regulujących przepływ, a także większych elementów zużywających się stosowanych w górnictwie i innych gałęziach przemysłu.

Procesy wytwarzania ceramiki SiC oparte na reakcji wiązania polegają na nasycaniu porowatych preform węglowych lub grafitowych płynnym stopem krzemu, co powoduje reakcję in situ między nim a węglem, w wyniku której powstaje b-SiC, łączący ze sobą pierwotne cząstki a-SiC. Wszelkie kanały kapilarne, w których nie doszło do reakcji, są następnie wypełniane resztkami płynnego krzemu.

Zaletą produkcji metodą RBSC jest to, że można ją przeprowadzać w niższych temperaturach przetwarzania niż w przypadku spiekania; jednak wytworzona ceramika może zawierać znaczne ilości wolnego krzemu, który pod wpływem nacisku podczas przenoszenia lub użytkowania może ulec pęknięciu.

Aby zmniejszyć zawartość wolnego krzemu, kluczowe znaczenie ma utrzymanie krótkiego czasu RS oraz dodanie sadzy do preformy. Może to zwiększyć gęstość względną surowego wyrobu, jednocześnie podnosząc wytrzymałość na zginanie i moduł sprężystości przy zginaniu, w miarę jak zawartość sadzy w preformie wzrasta do 15 procent wagowych.