Spekaný karbid kremíka a jeho aplikácie

Karbid kremíka má vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam široké uplatnenie v priemysle. Patrí medzi ne jeho odolnosť voči korózii, oxidácii a tepelným vplyvom.

Reaktívne viazaný SiC sa vyrába procesom spekania infiltráciou tekutého kremíka do poréznych zelených telies karbidu kremíka a jeho infúziou pod tlakom. Výsledný materiál má nízku lomovú húževnatosť.

Vysoká pevnosť

Keramika z karbidu kremíka je známa svojím extrémne tvrdým povrchom, ktorý poskytuje vynikajúce vlastnosti odolnosti voči oderu, korózii a teplu. Okrem toho tento materiál vykazuje vynikajúce vlastnosti odolnosti voči oxidácii spolu so silnými úrovňami pevnosti pri vysokých teplotách, vlastnosťami chemickej stability, ako aj mechanickej tvrdosti.

Silikónové tesnenia, ktoré sú k dispozícii v rôznych štandardných veľkostiach a geometriách pre aplikácie v procesných zariadeniach, ponúkajú vynikajúcu odolnosť proti oderu so zníženým trením o spájacie komponenty v tesneniach čerpadiel.

Odolnosť spekaného karbidu kremíka voči erózii a opotrebovaniu možno ďalej zvýšiť použitím karbidov bóru alebo volfrámu, pričom tieto špeciálne triedy ponúkajú lepšiu mechaniku materiálu pri zvýšených teplotách napriek mierne vyšším surovinám a výrobným nákladom.

Reakčné spájanie alebo beztlakové spekanie SiC keramiky vytvára rôzne mikroštruktúry, pričom zvolený spôsob tvarovania určuje ich konečný výsledok. Reakčne spájaný karbid kremíka ponúka nižšie teploty spracovania, vynikajúce tvarové schopnosti a nižšie náklady ako beztlakové spekanie SiC; jeho pevnosť pri vysokých teplotách a pevnosť v ohybe je však nižšia v porovnaní s pevnosťou, ktorú produkuje beztlakové spekanie SiC; preto je reakčne spájaný karbid kremíka vhodnejší pre aplikácie, ktoré nevyžadujú od keramického materiálu maximálny výkon.

Vysoká odolnosť proti korózii

Keramika z karbidu kremíka sa môže pochváliť jednou z najvyšších hodnôt odolnosti proti korózii spomedzi všetkých keramík a vďaka svojej pozoruhodnej tvrdosti, pevnosti, tepelnej vodivosti a odolnosti proti opotrebovaniu odoláva aj náročným chemickým podmienkam. Okrem toho karbid kremíka ponúka vynikajúcu odolnosť voči oxidácii, ako aj vlastnosti odolnosti voči opotrebovaniu.

Spekaný karbid kremíka (SSiC) sa vyrába lisovaním a spekaním (zahrievaním) jemnozrnného prášku SiC s neoxidovými spekanými pomocnými látkami do pastovitej zmesi, ktorá sa potom môže zhutniť alebo vytvarovať podľa potreby použitia alebo vytlačiť cez lisovacie formy do rúrok zo spekaného karbidu kremíka.

Reaktívne spekanie zahŕňa miešanie viacprvkových eutektických oxidov (napríklad Y2O3-Al2O3) pri nízkej eutektickej teplote s cieľom vytvoriť kvapalnú fázu pre pohyb častíc SiC, difúziu a prenos hmoty počas zhutňovania do spekaných keramických výrobkov s presnými rozmermi; má však nevýhody, ako je drahá spotreba surovín a náklady na energiu, ako aj korózne správanie počas zhutňovania, ktoré sa musí starostlivo riadiť, aby sa dosiahli najlepšie vlastnosti keramiky SiC.

Odolnosť voči vysokým teplotám

Karbid kremíka odoláva vysokým teplotám, čo z neho robí vynikajúci materiál na použitie v zariadeniach na chemické spracovanie, ako sú pece. Okrem toho je odolný voči chemickej korózii, takže vydrží teploty až do 1 900 °C a zároveň sa môže pochváliť skvelými vlastnosťami mechanickej tvrdosti.

Reakčne viazaná SiC keramika sa vyrába z poréznych uhlíkových surovín v kombinácii s roztaveným kremíkom a formuje sa metódami, ako je suché lisovanie, odlievanie a vytláčanie. Často sa používajú v kompozitných pancierových systémoch proti balistickým hrozbám.

Beztlakovo spekaný karbid kremíka (PSiC) je moderný materiál s výnimočnými vlastnosťami z hľadiska pevnosti, tvrdosti a tepelnej vodivosti, ako aj odolnosti voči korózii, oxidácii a ohýbaniu - ideálny pre komponenty, ako sú dýzy, tesnenia a opotrebovateľné krúžky.

Na zvýšenie účinnosti spekania PSiC možno vytvoriť kvapalnú fázu pridaním jedného alebo viacerých viacprvkových eutektických oxidov, ako napríklad Y2O3-Al2O3, ktoré majú nízke eutektické body a podporujú pohyb, difúziu a preskupenie častíc SiC, čo vedie k zhutneniu produktu. Výsledkom je, že vyrobená SiC keramika má vynikajúce vlastnosti pevnosti v ohybe a teplotnej odolnosti.

Pevnosť pri vysokých teplotách

Spekaný karbid kremíka sa môže pochváliť vysokou pevnosťou, ktorá zostáva relatívne konštantná pri vysokých teplotách, čo z neho robí vynikajúcu voľbu materiálu pre mnohé aplikácie. Okrem toho je vďaka svojej odolnosti voči chemickej korózii vhodný do mnohých priemyselných prostredí.

Na druhej strane, karbid kremíka viazaný reakciou (RBSiC) sa vytvára infiltráciou roztaveného kremíka do poréznych uhlíkových alebo grafitových predliskov a vytvorením poréznych oblastí medzi ich štruktúrami. RBSiC má nižšiu pevnosť a tvrdosť ako SSiC, ale ponúka vyššiu odolnosť voči chemickým a tepelným šokom.

Spekanie umožňuje vyrábať keramické výrobky s presnými rozmermi a hustotou, ale má aj svoje nevýhody: vysoké teploty spekania môžu spôsobiť, že sa počas zhutňovania zmršťujú; okrem toho môže tento proces spôsobiť trhliny v materiáli, ktoré vedú k nerovnomernému chemickému zloženiu alebo hustote, čo by mohlo mať vplyv na výkon pri vystavení oxidačnému alebo korozívnemu prostrediu. Väčšina výskumníkov preto volí spekanie v kvapalnej fáze, ktoré je zároveň šetrnejšie k životnému prostrediu.

Vysoká mechanická tvrdosť

Karbid kremíka je jedným z najtvrdších materiálov na Zemi a jedným z najpevnejších. Vďaka tejto kombinácii je odolný voči korózii, oderu a tepelným šokom a zároveň ponúka dobrú odolnosť proti opotrebovaniu a nízke klzné trenie pri použití s mnohými rôznymi spojovacími materiálmi.

Spekaná SiC keramika dosahuje svoju vysokú pevnosť tvorbou silných spekaných väzieb medzi časticami SiC. Beztlakové spekanie alebo izostatické lisovanie karbidu kremíka za tepla vytvára výrobky prakticky bez pórov, čo ďalej zlepšuje mechanické vlastnosti keramických výrobkov.

Reakčne viazaný karbid kremíka (RSIC) má v porovnaní s HPSIC alebo HIPSIC otvorenejšiu pórovitosť a hrubšiu štruktúru zŕn, čo znižuje jeho pevnosť v ohybe a robí ho menej vhodným pre vysokoteplotné aplikácie.

Priamo spekaný karbid kremíka má jemnejšie zrná ako RSIC, a preto je odolnejší voči oxidácii, takže je drahší ako jeho náprotivok, ale poskytuje vynikajúce vlastnosti odolnosti voči oderu, teplu a vysokým teplotám, vďaka ktorým je ideálny pre tesnenia čerpadiel alebo iné náročné vysokoteplotné aplikácie. Priamo spekaný karbid kremíka sa bežne špecifikuje pre aplikácie tesnení čerpadiel, ktoré si vyžadujú vynikajúcu pevnosť pri vysokých teplotách, ako aj vynikajúce pevnostné vlastnosti pri vysokých teplotách.