نظرة عامة على المواد الخزفية المصنوعة من كربيد السيليكون كربيد السيليكون

كربيد السيليكون هو واحد من أكثر المواد الخزفية المتقدمة صلابة ومتانة، ويستخدم لصلابته كمادة كاشطة ومقاومته للحرارة ومعامل التمدد الحراري المنخفض في الحراريات وتطبيقات السيراميك.

يمكن أن يوجد المويسانيت أيضاً بشكل طبيعي كمعدن المويسانيت الشفاف. وقد تم تصنيع أول عينات مصطنعة في عام 1891 خلال محاولة إدوارد أتشيسون لصنع الماس الاصطناعي؛ وفي وقت لاحق، قام الكيميائي هنري مويسان الحائز على جائزة نوبل بتصنيع المزيد من العينات بشكل مصطنع.

قوة درجات الحرارة العالية

كربيد السيليكون (SiC) هو سيراميك قوي للغاية من غير الأكسيد يوفر مقاومة استثنائية ضد التآكل والهجوم الكيميائي في درجات الحرارة المرتفعة. يُستخدم كربيد السيليكون كمادة تبطين حرارية في الأفران الصناعية كمادة تبطين حرارية؛ وعجلات الطحن؛ وأدوات القطع؛ والتطبيقات التي تكون فيها القوة ضرورية مثل عجلات الطحن وأدوات القطع وتطبيقات التشغيل الآلي. وعلاوة على ذلك، تشكل مكونات سيكلوريد الكالسيوم أجزاءً رئيسية في عناصر التسخين المقاومة، ومقاومات الحرارة للأفران الكهربائية وكذلك أنابيب التبطين وأوجه الختم التي تحتوي على سيكلوريد الكالسيوم.

تشتهر SiC بمقاومتها الحرارية الفائقة وقوتها في درجات الحرارة المرتفعة، مما يجعلها ذات قيمة عالية في التطبيقات الصناعية. يقاوم SiC الأكسدة في درجات حرارة تصل إلى 1000 درجة مئوية من خلال تكوين طبقة واقية من الأكسيد تعمل كحاجز بين أسطحه والعناصر التي تحيط به؛ ومع ذلك، في درجات الحرارة المرتفعة قد تخترق الشقوق هذا الحاجز وتبدد الطاقة عبر المناطق البينية البلورية أو الحبيبية مما يؤدي إلى صعوبة زيادة القوة في درجات الحرارة المرتفعة.

يمكن تصنيع كربيد السيليكون من خلال عمليتين متميزتين؛ مترابطة تفاعلياً ومتكلسة. ولكلا الشكلين تأثيرات كبيرة على بنيته المجهرية، وبالتالي على أدائه في درجات الحرارة المرتفعة. ينطوي الترابط التفاعلي على تسلل رقائق خضراء مكونة من مخاليط من كربيد السيليكون والكربون مع السيليكون السائل؛ وهذا يخلق هياكل ذات أبعاد قليلة تتغير أثناء المعالجة، ومساحة سطح واسعة. وتوفر البنية المجهرية القشرية الأساسية الحرارية خصائص فريدة من نوعها أثبتت أنها تزيد من قوة سيليكون السيليكون في درجات الحرارة المرتفعة.

مقاومة درجات الحرارة العالية

تجعل قوة كربيد السيليكون الرائعة من كربيد السيليكون خيارًا ممتازًا للمواد المستخدمة في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، مثل وسادات المكابح الخزفية للسيارات الاستهلاكية. وتتمتع المادة بالقدرة على تحمل درجات حرارة تصل إلى 1400 درجة مئوية مع الحفاظ على قوتها وصلابتها الاستثنائية، مما يجعل كربيد السيليكون مادة مثالية.

يتميز كربيد السيليكون عن غيره من المواد الخزفية الأخرى بعدم تحللها أو انصهارها في درجات الحرارة المرتفعة، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في التطبيقات التي تنطوي على مستويات عالية من الإجهاد، وتطبيقات تحمل الأحمال مثل المحامل والألواح المضادة للرصاص دون تكبد أضرار هيكلية دائمة. وهذا يجعل كربيد السيليكون مثاليًا بشكل خاص للتطبيقات التي تنطوي على مستويات عالية من إجهاد التحميل مثل المحامل والألواح المضادة للرصاص.

ويوجد كربيد السيليكون بشكل طبيعي كمعدن المويسانيت النادر للغاية، بينما يلبي إنتاج السيليكون الصناعي متطلبات الدفاع الوطني الحديث والطاقة النووية وتكنولوجيا الفضاء والصناعات الفضائية التي تتطلب أبعادًا دقيقة.

يتميز كربيد السيليكون الملبد بواحد من أعلى الموصلات الحرارية بين السيراميك التقني، ويأتي في المرتبة الثانية بعد نيتريد الألومنيوم. ويمكن أن يُعزى ذلك إلى بنية الأكسجين الشبكية التي تنتج تشتتًا كبيرًا للفونونات. وبينما يمكن زيادة توصيلها الحراري بشكل أكبر باستخدام إضافات الأكسيد في عمليات التلبيد، إلا أنه يجب أن تبقى هذه الإضافات عند الحد الأدنى المطلق للحفاظ على الاستقرار الهيكلي ومقاومة الأكسدة للمادة.

معامل التمدد الحراري المنخفض

إن معامل التمدد الحراري المنخفض لكربيد السيليكون يجعله المادة المثالية للاستخدام كمركب مصفوفة السيراميك (CMC) في ظل الظروف القاسية، مما يجعله شائع الاستخدام في تطبيقات مثل التوربينات الغازية وفوهات الصواريخ حيث يجب أن تتحمل المواد درجات الحرارة العالية وكذلك بيئات الصدمات الحرارية.

إن مقاومة التآكل تجعل الفولاذ المقاوم للصدأ خيارًا ممتازًا للمواد لبطانات الأفران الصناعية الكيميائية، حيث يمكنه تحمل درجات الحرارة القصوى مع الاحتفاظ بسلامته الهيكلية. وعلاوةً على ذلك، يوفر الفولاذ المقاوم للصدأ ثباتًا كيميائيًا كبيرًا مما يسمح بفترات تشغيل طويلة في البيئات السائلة المعادية مثل المحاليل الحمضية والقلوية.

يمكن العثور على الشكل المتعدد الأشكال الأكثر انتشارًا لكربيد السيليكون، وهو الشكل ألفا، عند درجات حرارة أعلى من 1700 درجة مئوية مع بنية بلورية من الورتزيت ونقاط انصهار أعلى من 1700 درجة مئوية. ومع ذلك، يمكن أن يوجد أيضًا شكل بيتا الأكثر ندرة مع هيكله البلوري الزنك blende المشابه للماس ونقطة انصهار أقل عند 1030 درجة مئوية - قد يستخدم هذا الشكل النادر كدعم للمحفزات غير المتجانسة.

يمكن العثور على كربيد السيليكون في صورة سيراميك مسامي وكثيف. تختلف تقنيات الإنتاج بشكل كبير، حيث تعتمد البنية المجهرية النهائية على طريقة الإنتاج المستخدمة. يتم إنتاج كربيد السيليكون المترابط بالتفاعل عن طريق تسرب مدمج من خليط الكربون-كربيد السيليكون مع السيليكون المنصهر الذي يتفاعل مع بعضه البعض لتشكيل المزيد من كربيد السيليكون، مما يؤدي إلى ترابط المدمج الأولي؛ ويتم تشكيل كربيد السيليكون الملبد، مثل هيكسولوي، من خلال عمليات تشكيل السيراميك التقليدية قبل تلبيده في درجات حرارة عالية تحت جو خامل.

صلابة عالية

تصل صلابة كربيد السيليكون على مقياس موس إلى 9.5، مما يضعه في المرتبة الثالثة بعد الماس ونتريد البورون. وهذا يجعله مناسبًا لأدوات القطع والمواد الكاشطة وكذلك تصنيع الأجزاء المقاومة للتآكل في درجات الحرارة العالية مثل المحامل وموانع التسرب في تطبيقات الصناعة الميكانيكية.

أدى مزيج كربيد السيليكون الفريد من الخصائص الكيميائية المستقرة، والتوصيل الحراري الممتاز، ومعامل التمدد الحراري المنخفض، والصلابة والقوة الميكانيكية إلى استخدامه على نطاق واسع في العديد من الصناعات بما في ذلك البترول والهندسة الكيميائية والإلكترونيات الدقيقة والسيارات وصناعة الورق في مجال الطيران والتعدين بالليزر. وعلاوة على ذلك، يستخدم كربيد السيليكون أيضاً في الإلكترونيات المعلوماتية لحماية البيئة وتطبيقات استخدام الطاقة.

يمكن إنتاج كربيد السيليكون (SiC) باستخدام عمليتين، الترابط التفاعلي والتلبيد، وكلاهما سيؤثر على بنيته المجهرية النهائية. يتم إنشاء كربيد السيليكون المترابط بالتفاعل عادةً عن طريق تسلل الروابط المدمجة المكونة من مخاليط من السيليكون والكربون مع السيليكون السائل الذي يتفاعل بعد ذلك مع جزيئات السيليكون والكربون الأخرى لتشكيل المزيد من روابط كربيد السيليكون، بينما يتم تصنيع كربيد السيليكون الملبد باستخدام تقنيات تشكيل السيراميك التقليدية ومساعدات التلبيد غير الأكسيدية للإنتاج.

إن قابلية كربيد السيليكون الممتازة للتشغيل الآلي تجعله مادة ممتازة لإنتاج مكونات مانعة للتسرب مقاومة للتآكل، خاصةً عند دمجها مع الجرافيت. ويوفر هذا المزيج معاملات احتكاك أقل من سيراميك الألومينا والسبائك الصلبة وسيحافظ على شكله أثناء القيم الكهروضوئية العالية لمنع تسرب المواد الكيميائية مثل القلويات والأحماض إلى البيئة.