Kaj je silicijev karbid?

Silicijev karbid je izjemno trd in močan material z visoko gostoto, izjemno odpornostjo proti koroziji in izjemnimi tribološkimi lastnostmi. Na voljo v sintrani in reakcijsko vezani obliki.

Breztlačno sintranje omogoča visoko zgoščevanje z zmanjšanjem površinske energije zrn zaradi reakcije bora in ogljika1 , vendar visoka temperatura povzroča prekomerno rast zrn, kar poslabša mehanske lastnosti.

Moč

Silicijev karbid, običajno imenovan karborundum, je trda kemična spojina, sestavljena iz silicija in ogljika, ki se naravno pojavlja v redkih mineralih, kot je moissanit, vendar se najpogosteje množično proizvaja kot prah in zrnca za uporabo kot abraziv in keramične plošče v neprebojnih jopičih. Karborund je odporen na visoke temperature, hkrati pa ostaja kemično odporen - tudi na kisline, kot so fosforna, žveplova in dušikova kislina.

Sintrani silicijev karbid se zaradi svojih izjemnih toplotnoizolacijskih lastnosti pogosto uporablja v različnih panogah, od letalstva do astronomije. Ognjevzdržni material iz sintranega silicijevega karbida se ponaša tudi z impresivno vzdržljivostjo in ga je mogoče natančno obdelati z uporabo drage opreme za doseganje natančnih toleranc.

Keramika iz silicijevega karbida je na voljo v dveh različicah, reaktivno vezani in sintrani. Reaktivno vezani silicijev karbid se proizvaja z infiltracijo kompaktov, sestavljenih iz SiC in ogljika, s tekočim silicijem, pri čemer nastane več SiC, ki se veže na začetne delce in tvori več reakcijsko vezanih delcev silicijevega karbida, ki se lažje prilepijo kot sintrani, vendar so zaradi manjše trdnosti in trdote stroškovno učinkoviti.

Sintrani silicijev karbid se proizvaja s segrevanjem surovin na izredno visoke temperature v inertni atmosferi, pri čemer se spremenijo v izredno močan material, ki se lahko uporablja v različnih aplikacijah, kot so obrabni deli za črpalke za pesek in rudarske ciklone. Poleg tega ga odlikujeta odlična odpornost proti koroziji in nizka toplotna razteznost.

Trdota

Reakcijsko vezani silicijev karbid (RSiC) se proizvaja s stiskanjem in sintranjem (segrevanjem) prašnih delcev, pri čemer nastane trden kos materiala z visoko trdnostjo, trdoto, odpornostjo proti koroziji in oksidaciji - čeprav ni tako trd kot sintrani silicijev karbid.

Sintrani silicijev karbid je tehnična keramika z močnimi kovalentnimi vezmi, ki zagotavlja odlične mehanske lastnosti pri visokih temperaturah. Ta material se ponaša z veliko trdoto in odpornostjo proti obrabi ter odpornostjo proti kemični koroziji, oksidaciji in toplotnim šokom, skupaj z zelo dobro toplotno prevodnostjo, zaradi česar je primeren za uporabo v zahtevnih okoljih.

S sintranjem v tekoči fazi nastanejo materiali visoke čistosti z enakomerno mikrostrukturo, ki so kompaktnejši od postopkov sintranja v trdnem stanju. Spremembe velikosti med zgoščevanjem so minimalne, zato je mogoče izdelati natančne dele zapletenih oblik. Aditivi za sintranje bora in ogljika lahko spremenijo energije na mejah zrn in površinske energije, hkrati pa izboljšajo hitrost prostorninske difuzije in omejijo nastajanje stekla med zrni.

Rezultati sintranja v trdnem stanju imajo večjo odpornost proti lezenju v tlaku kot njihovi običajni primerki zaradi povečanja kinetične energije kristalnega silicija in pospešitve gibanja dislokacij v zrnatih območjih ter povečanja koncentracije kovinskega silicija, ki pomaga zmanjšati hitrost lezenja, saj upočasni difuzijo SiC prek meja zrn.

Odpornost na korozijo

Silicijev karbid je odlično odporen proti koroziji, oksidaciji in obrabi - zaradi teh lastnosti je primeren material za zahtevna okolja, kjer bi se drugi materiali sčasoma pokvarili. Poleg tega je silicijev karbid odporen na temperature do 1 900 stopinj C, zaradi česar je primeren za kemično predelavo, kjer lahko oprema pride v stik z zelo kislimi kemikalijami in plini, ki korodirajo hitreje, kot je pričakovano.

Ugotovljeno je bilo, da sta tako silicijev karbid v trdnem stanju (SSiC) kot tudi silicijeva infiltrirana silicijeva karbidna keramika stabilna v različnih kemičnih raztopinah, čeprav ima slednja zaradi prostega silicija manjšo korozijsko stabilnost. Da bi raziskali te mehanizme, smo izvedli kratkoročne in dolgoročne korozijske poskuse na SiSiC v raztopini NaOH z natančnimi meritvami globine korozije na poliranih površinah in skenirno elektronsko mikroskopijo njenih korozijskih produktov.

Reakcijsko vezani silicijev karbid (RBSiC) se proizvaja z infiltracijo tekočega silicija v porozne ogljikove ali grafitne predoblike in njegovo reakcijo v SiC. RBSiC se od dražjega analoga SSiC razlikuje v več pogledih; med drugim ima manjšo trdnost in trdoto, vendar stane proizvodnja bistveno manj in je bolj prepusten za prehod plinov in tekočin; odlikuje ga tudi dobra odpornost proti abraziji, koroziji in toplotnim šokom, kar omogoča uporabo v aplikacijah, kot so šobe gorilnikov ali reakcijske in plamenske cevi; nazadnje ga odlikuje tudi dobra odpornost proti toplotnim šokom, kar omogoča hitro spreminjanje temperature brez posledic.

Toplotna prevodnost

Sintrani silicijev karbid se ponaša z eno najvišjih toplotnih prevodnosti med neoksidnimi keramičnimi materiali, zato je primeren za aplikacije, ki vključujejo visoke temperature, kot so aplikacije s kemičnim nanašanjem s parami (CVD) SiC ali reakcijsko vezanim silicijevim karbidom.

Njegova kristalna struktura, ki se nahaja v bližini jedra, pomaga povečati toplotno prevodnost za visoko toplotno učinkovitost keramike. Ta material je zmožen prenesti visoke temperaturne obremenitve z majhnimi poškodbami in odpornostjo proti koroziji, oksidaciji in utrujanju - je odlična izbira materiala za uporabo v tesnilih črpalk, saj lahko ostane tlačno in temperaturno odporen dlje časa.

Ta vrsta keramike se ponaša tudi z izjemno žilavostjo, kar pomeni, da bolje prenaša udarce in vibracije kot drugi keramični materiali. Poleg tega sta njena trdnost in odpornost na oksidacijo med najvišjimi v svoji kategoriji.

Sintranje v tekoči fazi (LPS) je inovativna tehnika za zgoščevanje silicijevega karbida z uporabo dodatkov za sintranje evtektičnih oksidov, ki zgoščajo pri nižjih temperaturah kot tradicionalno, kar prihrani proizvodne stroške in hkrati zmanjša poroznost končnega izdelka.

Slike HRTEM vzorcev LPS-SiC z različnimi dodatki za sintranje kažejo, kako povečan dodatek dodatkov izravna porazdelitev tekoče faze med zrni SiC, kar povzroči zgoščevanje, večjo relativno gostoto in boljšo električno upornost, kar so lastnosti, ki so ključne za aplikacije, ki uporabljajo mikrovalovne in milimetrske frekvence.