Čo je karbid kremíka?

Karbid kremíka je mimoriadne tvrdý a pevný materiál s vysokou hustotou, výnimočnou odolnosťou proti korózii a vynikajúcimi tribologickými vlastnosťami. Dostupný v spekanej aj reakčne viazanej forme.

Beztlakové spekanie zabezpečuje vysokú hustotu vďaka zníženiu povrchovej energie zŕn v dôsledku reakcie bóru a uhlíka1 , ale jeho vysoká teplota vedie k nadmernému rastu zŕn, ktorý zhoršuje mechanické vlastnosti.

Sila

Karbid kremíka, bežne označovaný ako karborundum, je tvrdá chemická zlúčenina zložená z kremíka a uhlíka, ktorá sa prirodzene vyskytuje vo vzácnych mineráloch, ako je moissanit; bežnejšie sa však vyrába vo forme prášku a granúl na použitie ako brúsivo a keramické dosky v nepriestrelných vestách. Karborundum odoláva vysokým teplotám a zároveň si zachováva chemickú odolnosť - vrátane odolnosti voči kyselinám, ako sú kyselina fosforečná, sírová a dusičná.

Spekaný karbid kremíka našiel vďaka svojim pozoruhodným tepelnoizolačným vlastnostiam široké uplatnenie v rôznych priemyselných odvetviach, od letectva až po astronómiu. Žiaruvzdorný materiál zo spekaného karbidu kremíka sa tiež môže pochváliť pôsobivou odolnosťou a môže byť presne opracovaný pomocou drahého zariadenia na dosiahnutie presných tolerancií.

Keramika z karbidu kremíka sa dodáva v dvoch variantoch, reakčne spájaná a spekaná. Reaktívne viazaný karbid kremíka sa vyrába infiltráciou kompaktov zložených z SiC a uhlíka tekutým kremíkom, čím sa vytvára viac SiC, ktorý sa viaže na pôvodné častice a vytvára viac reakčne viazaných častíc karbidu kremíka, ktoré priľnú ľahšie ako ich spekané náprotivky, ale zostávajú cenovo výhodné vďaka zníženej pevnosti a tvrdosti.

Spekaný karbid kremíka sa vyrába zahrievaním surovín na extrémne vysoké teploty v inertnej atmosfére, čím sa z nich stáva extrémne pevný materiál, ktorý sa môže používať v rôznych aplikáciách, ako sú napríklad opotrebovateľné časti pieskových čerpadiel a banských cyklónov. Okrem toho sa vyznačuje vynikajúcou odolnosťou proti korózii, ako aj nízkou tepelnou rozťažnosťou.

Tvrdosť

Reakčne viazaný karbid kremíka (RSiC) sa vyrába lisovaním a spekaním (zahrievaním) častíc prášku, čím sa vytvorí pevný kus materiálu s vysokou pevnosťou, tvrdosťou, odolnosťou proti korózii a oxidácii - hoci nie tak tvrdý ako spekaný karbid kremíka.

Spekaný karbid kremíka je technická keramika so silnými kovalentnými väzbami, ktorá poskytuje vynikajúce mechanické vlastnosti pri vysokých teplotách. Tento materiál sa vyznačuje veľkou tvrdosťou a odolnosťou proti opotrebovaniu, ako aj odolnosťou proti chemickej korózii, oxidácii a tepelným šokom spolu s veľmi dobrou tepelnou vodivosťou, vďaka čomu je vhodný na použitie v náročných podmienkach.

Spekaním v kvapalnej fáze sa získavajú vysokočisté materiály s rovnomernou mikroštruktúrou, ktoré sú kompaktnejšie ako pri spekaní v tuhom stave. Zmeny veľkosti počas zhutňovania sú minimálne; možno vyrábať presné diely so zložitými tvarmi. Spekárske prísady bóru a uhlíka môžu modifikovať energie na hraniciach zŕn a povrchové energie, pričom zlepšujú rýchlosť objemovej difúzie a obmedzujú tvorbu skla medzi zrnami.

Výsledky spekania v pevnom stave majú vyššiu odolnosť proti tečeniu v tlaku ako ich konvenčné náprotivky v dôsledku zvýšenia kinetickej energie kryštalického kremíka a zrýchlenia pohybu dislokácií v zrnitých oblastiach, ako aj zvýšenia koncentrácie kovového kremíka, čo pomáha znížiť rýchlosť tečenia spomalením difúzie SiC cez hranice zŕn.

Odolnosť proti korózii

Karbid kremíka má vynikajúcu odolnosť proti korózii, oxidácii a opotrebovaniu - vlastnosti, ktoré z neho robia vhodný materiál do náročných prostredí, kde by sa iné materiály mohli časom rozbiť. Okrem toho karbid kremíka odoláva teplotám až do 1 900 stupňov C, vďaka čomu je vhodný na chemické spracovanie, kde môžu zariadenia prichádzať do kontaktu s vysoko kyslými chemikáliami a plynmi, ktoré korodujú ľahšie, než sa očakáva.

Zistilo sa, že karbid kremíka spekaný v pevnom stave (SSiC) aj karbid kremíka s infiltráciou sú stabilné v rôznych chemických roztokoch, hoci karbid kremíka s infiltráciou má nižšiu koróznu stabilitu kvôli voľnému kremíku. Na preskúmanie týchto mechanizmov sme uskutočnili krátkodobé aj dlhodobé korózne experimenty na SiSiC v roztoku NaOH s využitím presných meraní hĺbky korózie na leštených povrchoch, ako aj skenovacej elektrónovej mikroskopie na jej produktoch.

Reakčne viazaný karbid kremíka (RBSiC) sa vyrába infiltráciou kvapalného kremíka do poréznych uhlíkových alebo grafitových predliskov a jeho reakciou na SiC. RBSiC sa od svojho drahšieho náprotivku SSiC líši v niekoľkých ohľadoch; po prvé, má nižšiu pevnosť a tvrdosť, ale jeho výroba stojí podstatne menej a je priepustnejší pre plyny a kvapaliny; vyznačuje sa tiež dobrou odolnosťou proti oderu, korózii a tepelným šokom, čo umožňuje jeho použitie v aplikáciách, ako sú dýzy horákov alebo trysky a plameňové trubice; napokon sa vyznačuje aj dobrou odolnosťou proti tepelným šokom, čo umožňuje rýchle zmeny teploty bez toho, aby boli ovplyvnené.

Tepelná vodivosť

Spekaný karbid kremíka sa môže pochváliť jednou z najvyšších tepelných vodivostí spomedzi neoxidových keramických materiálov, vďaka čomu je vhodný pre aplikácie s vysokými teplotami, ako je napríklad aplikácia chemického naparovania (CVD) SiC alebo reakčne viazaného karbidu kremíka.

Jeho kryštalická štruktúra, ktorá sa nachádza v blízkosti jadra, pomáha zvyšovať tepelnú vodivosť keramiky s vysokým tepelným výkonom. Tento materiál je schopný odolávať vysokému teplotnému zaťaženiu s malým poškodením a odolnosťou voči korózii, oxidácii a únave - predstavuje vynikajúcu voľbu materiálu pre aplikácie tesnenia čerpadiel, pretože si dokáže zachovať odolnosť voči tlaku a teplote počas dlhšieho obdobia.

Tento typ keramiky sa vyznačuje aj vynikajúcou húževnatosťou, čo znamená, že odoláva nárazom a vibráciám lepšie ako iné keramické materiály. Okrem toho patrí jej pevnosť a odolnosť voči oxidácii k najvyšším vo svojej kategórii.

Spekanie v tekutej fáze (LPS) je inovatívna technika zhutňovania karbidu kremíka, ktorá využíva eutektické oxidové spekané prísady na zhutňovanie pri nižších teplotách ako tradične, čím sa šetria výrobné náklady a zároveň sa znižuje pórovitosť hotového výrobku.

Snímky HRTEM vzoriek LPS-SiC s rôznymi spekanými prísadami ukazujú, ako zvýšený prídavok prísady vyrovnáva distribúciu kvapalnej fázy medzi zrnami SiC, čo vedie k zhutneniu, vyššej relatívnej hustote a lepšiemu elektrickému odporu, čo sú vlastnosti kritické pre aplikácie využívajúce mikrovlnné a milimetrové vlny.