Применение карбида кремния

Карбид кремния - чрезвычайно полезный материал, находящий применение во многих отраслях промышленности. Несмотря на то, что в природе он встречается в виде муассанита, в настоящее время большая часть производства карбида кремния (КК) осуществляется синтетическим путем.

Благодаря высокому напряжению пробоя и низкому сопротивлению включению кремниевые пластины являются отличными компонентами для полупроводниковых приборов. Кроме того, их коррозионная стойкость позволяет выдерживать высокие температуры, а также проблемы, связанные с коррозией.

Абразивные инструменты

Карбид кремния (обычно называемый "карборундом") - это прочный керамический материал, обладающий исключительной прочностью при высоких температурах и свойствами теплового расширения. Поэтому он широко используется в абразивной обработке, где требуется прочный и долговечный материал для удаления ржавчины, подготовки изделий к покраске или удаления старых покрытий с поверхностей. Обычно формируется в угловатую зернистую форму перед нагревом при температуре 1200-1400 градусов Цельсия для склеивания в сыпучие или твердые абразивные изделия.

Абразивные материалы из карбида кремния производятся с помощью процесса, известного как карботермическое восстановление. Для этого смесь чистого кварцевого песка, кокса и соли нагревают в электрической печи сопротивления до тех пор, пока углеродистые вещества не станут электродом и не соединятся с молекулами кремния, образуя карборундовую крошку. После окончания нагрева эта зеленая крошка измельчается до классификации по размеру частиц, что обеспечивает соответствие производимой продукции конкретным промышленным и потребительским требованиям.

Карбид кремния выделяется среди своих собратьев по абразивному материалу чрезвычайной твердостью, занимая 9 место по шкале Мооса (его превосходят только алмаз и карбид бора). Благодаря этой исключительной твердости карбид кремния является идеальным материалом для резки или шлифовки твердых и хрупких материалов с минимальным усилием.

Помимо использования в абразивной обработке, абразивные материалы из карбида кремния идеально подходят для шлифовки и полировки металлов, камня, стекла, пробки, древесины и пластмасс. Несмотря на меньшую упругость по сравнению с аналогами из оксида алюминия, его острые как бритва абразивные зерна позволяют легко разрезать эти материалы при небольшом давлении. Карбид кремния также можно найти в шлифовальных кругах, наждачной бумаге, стеклокерамических и смоляных шлифовальных кругах, а также в соплах для пескоструйной обработки.

Режущие инструменты

Карбид кремния широко используется в качестве абразивного материала в шлифовальных кругах, режущих инструментах, наждачной бумаге и при производстве керамики. В керамике также широко используется этот чрезвычайно твердый материал, поскольку его твердость позволяет обрабатывать его или вырезать с помощью различных инструментов для получения определенных форм или отделки. Благодаря своей экономичности и износостойкости он стал привлекательным материалом для создания долговечных абразивных материалов, таких как шлифовальные круги.

Карбид кремния обычно используется для изготовления сверлильных и обрабатывающих инструментов, включая цельные сверла и сверла со сменными пластинами, для резки таких металлов, как сталь и алюминиевые сплавы, а также высокотемпературных материалов, таких как титан или никелевые сплавы. Благодаря своей твердости эти материалы редко повреждаются даже при высокоскоростной обработке.

Карбид кремния обладает высокой температурой плавления и теплопроводностью, что делает его очень устойчивым к истиранию, коррозии и другим химическим процессам, связанным с обработкой. Благодаря своей стойкости он может резать самые разные материалы, от металлов и композитов до керамики.

Циркониевый упрочненный глинозем и хромовый упрочненный глинозем - примеры керамических материалов, которые оказались лучше карбида вольфрама для использования в режущих инструментах для твердых и хрупких материалов благодаря их более высокой твердости, прочности на сжатие, химической инертности при повышенных температурах, а также более высокой теплопроводности, позволяющей быстрее отводить тепло, тем самым снижая вероятность термического повреждения заготовок и обеспечивая более длительный срок службы инструмента [3]. [4,5]

Термостойкие материалы

Карбид кремния - универсальный материал, используемый в самых разных областях - от абразивных материалов и огнеупоров до керамики и высокоэффективных приложений. Керамические матричные композиты, состоящие из металлических и полимерных деталей, армированных карбидом кремния, повышают эксплуатационные характеристики, обеспечивая теплостойкость; алюминиевые сплавы, армированные керамикой, обладают вдвое большей прочностью и 20% большей теплостойкостью по сравнению с чистыми алюминиевыми сплавами, оставаясь при этом на две трети легче.

SiC - чрезвычайно твердый и химически стойкий материал. Он обладает превосходной теплопроводностью, хорошей износостойкостью и теплопроводностью; по твердости с ним могут сравниться только алмаз и карбид бора. Благодаря сочетанию таких характеристик SiC является идеальным материалом для производства керамических абразивных изделий, таких как шлифовальные круги и режущие инструменты; кроме того, он часто используется в огнеупорах и керамике благодаря сочетанию термостойкости (высокой теплостойкости) с механической прочностью (стойкостью к истиранию).

Уникальные свойства карбида кремния делают его привлекательным материалом для производства высокоскоростных силовых устройств, в том числе высокое критическое поле лавинного пробоя и широкая полосовая щель, позволяющие передавать большую мощность при меньшем количестве последовательно соединенных устройств, что снижает стоимость и сложность системы, а низкое государственное сопротивление ограничивает потери преобразования и повышает надежность устройства.

SiC отличается сочетанием атомов кремния и углерода в своей структуре, что придает ему уникальные электрические и термические свойства. Он инертен к кислотам и щелочам, а также к высоким температурам, а методы изготовления включают реакционное соединение, а также обычные керамические процессы, такие как горячее прессование и спекание без давления. Формы и размеры могут быть сформированы в соответствии с предполагаемым использованием; процесс спекания относительно прост и позволяет получать спеченные тела с высокой плотностью и механическими свойствами, конечная микроструктура которых может контролироваться путем выбора агломерата, добавления связующего, а также условий прессования и спекания.

Износостойкие материалы

Карбид кремния - чрезвычайно твердый материал, обладающий отличной износостойкостью и механической прочностью, что делает его пригодным для различных применений в широком температурном диапазоне. Кроме того, его сильная прочность на сжатие добавляет долговечности механическим нагрузкам, которые могут возникнуть с течением времени; это делает его идеальным материалом для промышленного применения, где могут присутствовать большие нагрузки или высокие скорости.

Карбид кремния (SiC) - один из самых легких и твердых керамических материалов. Его слоистая кристаллическая структура состоит из атомов кремния и углерода, соединенных между собой тетраэдрической связью и образующих различные политипы с разными свойствами; альфа-форма (a-SiC) с гексагональной кристаллической структурой, похожей на вюрцит, обычно встречается в промышленных применениях; бета-форма (кристаллическая структура zn blende) более редкая.

Карбид кремния обладает превосходной износостойкостью по сравнению со сталью, однако ударная износостойкость карбида кремния на нитридной связке значительно ниже, что ограничивает его широкое применение в качестве почвообрабатывающих деталей.

Композитный материал на основе карбида кремния с реакционной связью (RBSC) предназначен для применения в областях, где требуется исключительная износостойкость, отличные огнеупорные свойства, химическая стабильность и высокое соотношение прочности и веса. RBSC может быть сформирован в сложные формы с превосходным соотношением прочности и веса, оставаясь при этом устойчивым к окислению и температурным воздействиям - идеальное решение для шлифования и резки огнеупорных материалов. Он обычно используется в шлифовальных станках, применяемых для этой задачи.

Высокотемпературные материалы

При выборе материала для жестких условий эксплуатации необходимо выбирать материалы с высокой термической и химической стойкостью; по этой причине карбид кремния стал одним из самых популярных вариантов среди горнодобывающих, нефтеперерабатывающих предприятий и насосных станций.

Благодаря превосходной температурной стабильности керамический материал обеспечивает исключительную прочность и целостность даже при высоких температурах. Кроме того, устойчивость к коррозии и химическим воздействиям делает его отличным выбором для использования в средах, требующих высокого уровня чистоты, таких как производство полупроводников.

Свойства карбида кремния как технической керамики определяются его кристаллической структурой; политипы могут проявлять различные свойства из-за различий в ширине полосы пропускания. Зазор определяет, как свет может поглощаться или излучаться из материалов; материалы с широким зазором обычно имеют более высокие показатели пропускания, а материалы с более узким зазором, как правило, имеют пониженные показатели пропускания.

Теплопроводность карбида кремния, достигающая 4,9 ватт на квадратный метр по Кельвину, является одной из ключевых характеристик материала для многих применений, поскольку позволяет ему легко выдерживать высокотемпературные условия. Эта характеристика особенно важна при использовании в качестве огнеупорных материалов или износостойких деталей, где высокая термическая стабильность имеет решающее значение.

Более высокое сопротивление карбида кремния напряжению по сравнению с кремнием делает его привлекательным материалом для высоковольтных электрических компонентов, таких как полупроводники и датчики давления, где может произойти растрескивание при высоких напряжениях; его сопротивление превышает 1000-вольтовые системы в 10 раз по сравнению с кремнием и нитридом галлия соответственно.