Włókno z węglika krzemu

Włókno z węglika krzemu (SiC) to niezwykle wytrzymały, a jednocześnie lekki materiał, który nadaje się do zastosowań w wysokich temperaturach i charakteryzuje się wyjątkowymi właściwościami, takimi jak odporność na utlenianie w wysokich temperaturach, twardość, sztywność, stabilność termiczna oraz odporność na korozję.

Włókna SiC doskonale sprawdzają się w środowiskach o wysokim poziomie promieniowania, dzięki czemu cieszą się popularnością wśród operatorów elektrowni jądrowych, a ponadto są wykorzystywane w kompozytach z matrycą ceramiczną w celu zwiększenia wytrzymałości i właściwości maskujących elementów silników lotniczych i kosmicznych.

Wysoka wytrzymałość

Włókno z węglika krzemu jest idealnym materiałem do wytwarzania wysokowydajnych kompozytów z matrycą metalową (MMC), zapewniającym znaczną poprawę w zakresie odporności na ścieranie, wytrzymałości właściwej, udarności, współczynnika rozszerzalności cieplnej oraz przewodności elektrycznej, gdy jest stosowane jako wzmocnienie. Ponadto węglik krzemu zapewnia dwukrotnie większą wytrzymałość i 20% wyższą odporność na wysoką temperaturę w porównaniu z nadstopami na bazie niklu, mimo że waży o dwie trzecie mniej.

SiC charakteryzuje się niezwykle wysoką wytrzymałością na rozciąganie wynoszącą około 4 GPa i może być wytwarzany w postaci skręconych pasm o średnicach od 5 do 150 mikronów. Istnieją różne metody produkcji, ale jedną z tych o długiej historii jest proces Yajima, w którym wykorzystuje się płynny polimer ceramiczny przędzony przez dyszę do postaci surowych (niewypalanych) włókien, które następnie przechodzą kilka etapów, w tym przebywanie w piecach wysokotemperaturowych, w celu uzyskania materiału SiC o pożądanych właściwościach chemicznych.

Producenci włókien z węglika krzemu dostarczają swoje produkty do różnych gałęzi przemysłu, w tym do metalurgii, chemii, sektora energii odnawialnej oraz przemysłu ogólnego. Największy udział w tym rynku będzie miała branża energetyczna, ponieważ włókna SiC są szeroko stosowane jako izolator w materiałach ogniotrwałych elektrowni, takich jak tlenek glinu i azotek krzemu, wykorzystywanych jako materiały izolacyjne w elektrowniach; również łopatki turbin gazowych czerpią korzyści z tej wysokiej odporności na utlenianie, sięgającej 1650°C, przy gęstości niższej niż w przypadku naturalnych minerałów, takich jak moissanit.

Odporność na wysokie temperatury

Włókno z węglika krzemu znane jest ze swojej wytrzymałości i odporności na utlenianie, co czyni je idealnym materiałem do zastosowań w środowiskach o wysokich temperaturach, takich jak silniki lotnicze i kosmiczne. W szczególności węglik krzemu jest wykorzystywany jako materiał zastępczy w częściach silników lotniczych i kosmicznych, zastępując stopy niklowe; ponadto często stosuje się go w osłonach termicznych, taśmach przenośnikowych i filtrach narażonych na działanie gazów o wysokiej temperaturze lub ciekłych metali.

Włókno z węglika krzemu różni się od włókna węglowego tym, że jego wytrzymałość i właściwości użytkowe pozostają niezmienione w wysokich temperaturach dzięki dużym ziarnom SiC, które ulegają spiekaniu w procesie spiekania wysokotemperaturowego. W związku z tym włókno z węglika krzemu stanowi atrakcyjny wybór materiałowy do produkcji elementów dla przemysłu lotniczego i kosmicznego, broni i sprzętu wojskowego, a także przemysłowych elementów wysokotemperaturowych oraz kompozytów z matrycą ceramiczną.

Sylramic i Hi-Nicalon są producentami odpornych na wysokie temperatury tkanin z włókien węglika krzemu. Dostarczają ten materiał zapewniający ochronę termiczną do branż metalurgicznej, chemicznej, energetycznej oraz uzdatniania wody, gdzie urządzenia wymagają ochrony termicznej – są to rynki, które będą napędzać popyt na tego rodzaju włókna odporne na wysokie temperatury.

Obecnie trwają prace nad opracowaniem innowacyjnej metody produkcji włókien z węglika krzemu o wysokiej odporności termicznej. Polega ona na zanurzeniu włókien prekursorowych w roztworze monomerów reakcyjnych z dodatkiem katalizatora w celu wywołania umiarkowanie kontrolowanej reakcji chemicznej, a następnie spiekaniu bez stosowania konwencjonalnej obróbki utwardzającej, co pozwala zachować grubość warstwy sieciującej proporcjonalną do średnicy włókna.

Lekki

Włókno z węglika krzemu jest lekkie i charakteryzuje się wysokim stosunkiem wytrzymałości do masy, a ponadto jest niezwykle twarde i odporne na ścieranie. Co więcej, jego stabilność termiczna i chemiczna sprawia, że jest to idealny materiał do zastosowań związanych z wysokimi temperaturami lub trudnymi warunkami środowiskowymi.

Włókno z węglika krzemu będzie prawdopodobnie cieszyło się dużym popytem ze strony przemysłu lotniczego i kosmicznego, zwłaszcza w zakresie dysz lotniczych, układów napędowych oraz wykładzin komór spalania, gdzie zastępuje tradycyjne metale w elementach samolotowych, takich jak dysze. Zdolność włókna SiC do poprawy wydajności silników poprzez zmniejszenie emisji CO₂ i NOx przy jednoczesnym zwiększeniu właściwości maskujących będzie prawdopodobnie napędzać wzrost tego rynku. Ponadto rosnące zapotrzebowanie na elektrownie jądrowe w krajach rozwiniętych i rozwijających się spowoduje wzrost wykorzystania włókna SiC jako integralnego elementu w skrzynkach kanałowych i powłokach paliwowych – co dodatkowo zwiększy zastosowanie włókna SiC w konstrukcjach skrzynek kanałowych lub powłok paliwowych, w których włókno SiC stanowi kluczowy składnik – co z kolei będzie napędzać wzrost tego rynku.

Włókno z węglika krzemu wyróżnia się jako idealny materiał na elementy lotnicze i kosmiczne dzięki swoim doskonałym właściwościom – w tym odporności na utlenianie i wysokiej stabilności termicznej – co sprawia, że nadaje się do stosowania w dyszach, turbinach i śmigłach. Ponadto jego doskonała przewodność elektryczna pozwala mu odgrywać kluczową rolę w produkcji superstopów i kompozytów ceramiczno-tlenkowych.

Niniejszy raport zawiera dogłębną analizę globalnego rynku włókien z węglika krzemu, obejmującą segmenty rynku i prognozy. Zawiera on analizy PESTEL i PORTER, analizę wpływu pandemii COVID-19, a także zalecenia dla inwestorów i kadry kierowniczej. Ponadto raport zawiera analizę konkurencyjną kluczowych graczy pod kątem ich portfolio produktów oraz obecności w poszczególnych regionach.

Odporny na korozję

Włókno z węglika krzemu jest jednym z najbardziej odpornych na korozję materiałów dostępnych na rynku; jest w stanie wytrzymać duże obciążenia i wysokie temperatury bez pękania pod wpływem nacisku, co sprawia, że stanowi odpowiedni wybór do zastosowań jądrowych, takich jak wykładziny rdzeni reaktorów oraz materiały osłonowe stosowane w elektrowniach jądrowych. Ponadto węglik krzemu może wytrzymać znaczne poziomy promieniowania bez ponoszenia jakichkolwiek uszkodzeń.

Unikalna struktura SiC, złożona z atomów węgla i krzemu, zapewnia mu wyjątkową odporność chemiczną. Nie oddziałuje na niego większość kwasów, zasad ani stopionych soli, a ponadto jest odporny na pierwotną korozję halogenową popiołów węglowych oraz większości metali nieżelaznych stopionych w temperaturach do 1700 degC – co zapewnia temu materiałowi doskonałą stabilność w powietrzu, umożliwiającą stosowanie go w warunkach otoczenia.

Wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz sztywność sprawiają również, że kwarc jest atrakcyjnym materiałem na lustra w teleskopach astronomicznych o dużych rozmiarach, takich jak kosmiczny teleskop Herschel. Z kwarcu można formować dyski o średnicy do 3,5 metra (11 stóp).

Włókno z węglika krzemu stanowi idealny materiał do wzmacniania metali i ceramiki w zastosowaniach wysokotemperaturowych, w których wymagane jest wzmocnienie. Dzięki wysokiej odporności na zużycie i ścieranie oraz doskonałym właściwościom wytrzymałościowym i sztywnościowym stanowi ono w niektórych sytuacjach doskonały zamiennik stali, a w innych jest często preferowane zamiast włókna szklanego. Produkty firmy Specialty Materials, takie jak włókna ciągłe i wiskery z węglika krzemu, wyróżniają się nawet wśród metali żaroodpornych pod względem odporności na utlenianie, wytrzymałości na rozciąganie, odporności na zużycie, a także stabilności termicznej w porównaniu ze zwykłymi metalami żaroodpornymi pod względem odporności na zużycie oraz w porównaniu z materiałami ogniotrwałymi pod względem samych tych właściwości!