sintrani silicijev karbid

Karbid silicija je eden izmed najbolj iskanih keramičnih materialov, ki se ponaša z izjemnimi lastnostmi, kot so trdota, trdnost, toplotna odpornost ter odpornost proti koroziji in oksidaciji.

Reakcijsko sintranje je najboljša rešitev za serijsko proizvodnjo velikih keramičnih izdelkov iz silicijevega karbida z zapletenimi oblikami. Na žalost pa njegova učinkovitost prinaša tudi nekatere pomanjkljivosti, kot so neenakomerna porazdelitev gostote in razpoke v sintranih izdelkih.

Trdota

Silicijev karbid (SiC) je eden najtrših keramičnih materialov, ki zagotavlja izjemno trdnost pri visokih temperaturah, zaradi česar je primeren za številne uporabe, kot so tesnilni elementi s trdo površino, sestavni deli opreme za proizvodnjo polprevodnikov in konstrukcijski elementi reaktorjev za jedrsko fuzijo. Poleg tega se SiC ponaša z odlično kemijsko odpornostjo in odpornostjo proti obrabi.

Reakcijsko in breztlačno sintranje sta dve glavni metodi za proizvodnjo SiC. Reakcijsko sintranje omogoča nižje temperature obdelave, vendar ima slabo upogibno trdnost in odpornost proti kemikalijam, kot so močne kisline in lugi; v primerjavi s tem brezpritisno sintranje ponuja boljšo prožnost, visoke stopnje zgoščevanja pri sintranju ter dobro oblikovljivost, vendar z višjimi stroški obdelave zaradi kovinskih dodatkov, kot so aluminij, bor in ogljik.

Sintrani silicijev karbid se med podobnimi materiali odlikuje po izjemni trdoti. S trdoto po Vickersu 2563 HV – kar daleč presega zahteve za oklep, ki znašajo 1500 HV – je sintrani silicijev karbid tudi izjemno žilav material, pri katerem se pojavljajo razpoke srednjega tipa, zaradi česar je primeren za uporabo v primerih večkratnih udarcev.

Sintranje ima ključno vlogo pri proizvodnji kakovostnih sintranih izdelkov iz silicijevega karbida. Reakcijsko vezane vrste imajo grobo zrno z manjšo trdoto in nižjo delovno temperaturo; neposredno sintrane vrste pa imajo drobnejše delce, kar zagotavlja večjo odpornost proti razpokam in višjo delovno temperaturo, zaradi česar so boljša izbira kot reakcijsko vezane vrste, ko gre za tesnilne površine in visokozmogljive tesnilne površine.

Odpornost na korozijo

Sintrani silicijev karbid se je izkazal za odpornega proti koroziji v kislih okoljih zaradi svoje izjemne odpornosti proti oksidaciji, saj okoli materiala ustvari kisikovo pregrado, ki ga ščiti pred delovanjem kislih kemikalij, hkrati pa preprečuje nadaljnje kemično razgrajevanje v drugih agresivnih okoljih.

Odpornost silicijevega karbida proti koroziji je v veliki meri odvisna od dejavnikov, kot so nečistote, sintrna sredstva, faze na mejah zrn, poroznost in zgodovina neposrednih reakcij tega materiala. Takšne lastnosti lahko spremenijo njegov prevladujoči potek reakcij v pogojih uporabe in s tem vplivajo na njegovo nadaljnje korozijsko obnašanje.

Sintirani silicijev karbid brez tlaka je običajno prekašal reaktivno vezani silicijev karbid glede odpornosti na visoke temperature in mehanske trdnosti, vendar različne uporabe zahtevajo različne lastnosti materialov; zato je vaša izbira med sintiranim in reaktivno vezanim materialom odvisna od vaših konkretnih zahtev.

Oblikovanje sintranega silicijevega karbida (SSiC) je lahko zahtevno in drago zaradi njegove izjemne trdote. Podjetje GAB Neumann uporablja monolitne dele iz nesintranega silicijevega karbida, izdelane v intenzivnem proizvodnem procesu, ki vključuje pripravo prahu, mešanje z vezivom, oblikovanje, hladno izostatično stiskanje in nazadnje sintranje pri visokih temperaturah, preden se po sintranju obdelajo z diamantno prevlečenimi orodji v skladu z natančnimi tolerancami.

Odpornost na visoke temperature

Silicijev karbid ohranja svojo trdoto in trdnost tudi pri zelo visokih temperaturah, zaradi česar je keramika, ki je izjemno odporna proti obrabi, koroziji in toplotnim šokom. Poleg tega je njegova odpornost proti oksidaciji ena najvišjih med neoksidnimi keramičnimi materiali, njegova teža pa je le polovica teže jekla.

Proizvodni postopki s reakcijskim vezanjem in neposrednim sintranjem za proizvodnjo silicijevega karbida sta dve široko uporabljeni tehniki za njegovo izdelavo. Vsaka od teh metod oblikovanja ima ključno vlogo pri oblikovanju končne mikrostrukture in lastnosti proizvedenega keramičnega materiala.

Reakcijsko vezani silicijev karbid se lahko proizvede z infiltracijo stisnjenih tel, sestavljenih iz mešanic prahu a-SiC in ogljika, s tekočim silicijem, nato pa s reakcijo tega novega SiC z obstoječimi delci, pri čemer nastanejo gosto zgoščena telesa iz SiC, ki imajo polno gostoto.

Mikrostruktura a-SiC s pripadajočo kristalno strukturo a-SiC–b-SiC zagotavlja odlično odpornost proti obrabi in toplotnim šokom, vendar je električna upornost nižja zaradi prisotnosti zrn a-SiC in b-SiC v tej obliki silicijevega karbida.

Reakcijsko sintranje je učinkovit in ekonomičen postopek za izdelavo izjemno trdne keramike iz silicijevega karbida z odlično žilavostjo, zaradi česar je ta postopek primeren za izdelavo velikih ali kompleksno oblikovanih delov. Nizke temperature sintranja zagotavljajo hitro sintranje, pri čemer se v nekaj minutah oblikujejo deli, ki so skoraj končne velikosti; med edine slabosti sodijo visoke zahteve glede materiala, stroški porabe energije in visoki stroški opreme.

Toplotna prevodnost

Karbid silicija je eden najtrših in najtrajnejših keramičnih materialov na trgu. Svojo trdoto in trdnost ohranja tudi pri izjemno visokih temperaturah, kar prispeva k njegovi izjemni odpornosti proti obrabi. Poleg tega se ta keramika ponaša z odpornostjo proti toplotnim šokom ter proti koroziji in oksidaciji; je pol manj težka od jekla, a kljub temu prenese ekstremne spremembe tlaka in temperature.

Toplotna prevodnost v SSiC je v veliki meri odvisna od izbranega postopka sintranja; sintranje brez tlaka ali sintranje z reakcijskim vezanjem ustvarjata različne mikrostrukture, ki vplivajo na lastnosti toplotne prevodnosti.

Reakcijsko vezani SiC nastane z infiltracijo tekočega silicija v porozne ogljikove ali grafitne predoblike, pri čemer silicij reagira z ogljikom in tvori strjeno SiC-keramiko, ki se nato lahko stiska v želene oblike. Reakcijsko vezana keramika je običajno mehkejša in manj gosta od svojih SSiC-ekvivalentov, vendar ponuja dobro odpornost proti obrabi pri višjih temperaturah, hkrati pa ohranja visoko stopnjo odpornosti proti oksidaciji in koroziji.

Oksidi redkih zemelj se lahko dodajajo kot dodatki za izboljšanje sinteriranja b-SiC, vendar jim njihov velik ionski polmer preprečuje prodor v kristalno mrežo, zaradi česar ostanejo ujeti med zrni – zato je izbira dodatkov, ki lahko prodrejo v mrežo, ključnega pomena – aluminij, bor in ogljik (ABC) so eden takih obetavnih dodatkov, ki jih je mogoče dodati vezano na zrna za sintranje pri nižjih obdelovalnih temperaturah.