Преглед на керамичните материали от силициев карбид

Силициевият карбид е един от най-твърдите и издръжливи съвременни керамични материали, който се използва както заради твърдостта си като абразивен материал, така и заради устойчивостта си на топлина и ниския коефициент на термично разширение в огнеупорни материали и керамични приложения.

Мойсанитът може да се среща и в природата като прозрачен минерал мойсанит. Първите изкуствено синтезирани образци са създадени през 1891 г. по време на опита на Едуард Ачесън да създаде изкуствени диаманти; по-късно носителят на Нобелова награда за химия Анри Мойсан синтезира изкуствено още образци.

Високотемпературна якост

Силициевият карбид (SiC) е изключително здрава неоксидна керамика, която предлага изключителна устойчивост срещу корозия и химически атаки при повишени температури. SiC намира приложение като огнеупорен облицовъчен материал в промишлени пещи като огнеупорен облицовъчен материал; шлифовъчни дискове; режещи инструменти; и приложения, при които здравината е от съществено значение, като шлифовъчни дискове, режещи инструменти и приложения за механична обработка. Освен това компонентите от SiC са ключови части в съпротивителни нагревателни елементи, термистори за електрически пещи, както и в облицовъчни тръби и уплътнителни повърхности, съдържащи SiC.

SiC е известен с отличната си термична устойчивост и здравина при повишени температури, което го прави високо ценен за индустриални приложения. SiC е устойчив на окисляване при температури до 1000 градуса по Целзий чрез създаване на защитен слой от оксиди, който действа като бариера между неговите повърхности и елементите, които ги заобикалят; при по-високи температури обаче пукнатините могат да проникнат през тази бариера и да разпръснат енергията чрез интеркристални или гранулирани области, което води до затруднения при увеличаване на якостта при повишени температури.

Силициевият карбид може да се произвежда чрез два различни процеса: реакционно свързване и синтероване. И двете форми оказват значително влияние върху неговата микроструктура, а оттам и върху характеристиките му при повишени температури. Реакционното свързване включва инфилтриране на зелени уплътнения, съставени от смеси на SiC и въглерод, с течен силиций; по този начин се създават структури с минимални промени в размерите по време на обработката и с обширна повърхност. Огнеупорната микроструктура "сърцевина-обвивка" осигурява уникални характеристики, за които е доказано, че увеличават якостта на SiC при повишени температури.

Устойчивост на високи температури

Забележителната здравина на силициевия карбид го прави отличен избор на материал за високотемпературни приложения, като например керамични спирачни накладки за потребителски автомобили. Материалът е способен да издържа на температури до 1400 градуса по Целзий, като същевременно запазва изключителната си здравина и твърдост, което прави силициевия карбид идеален материал.

Силициевият карбид се отличава от другите керамични материали с това, че не се разгражда и не се топи при високи температури, което го прави подходящ за използване в приложения с високо натоварване и натоварване, като например лагери и бронебойни плочи, без да се нанасят трайни структурни повреди. Това прави силициевия карбид особено идеален за приложения, свързани с високи нива на натоварване, като лагери и бронебойни плочи.

Силициевият карбид се среща в природата под формата на изключително редкия минерал моисанит, докато производството на синтетичен сик отговаря на изискванията на съвременната национална отбрана, ядрената енергетика, космическите технологии и космическата индустрия, които изискват точни размери.

Синтерованият силициев карбид се отличава с една от най-високите топлопроводимости сред техническата керамика, отстъпвайки само на алуминиевия нитрид. Това се дължи на кислородната му решетъчна структура, която води до голямо разсейване на фонони. Въпреки че топлопроводимостта му може да бъде допълнително увеличена чрез използване на оксидни добавки в процесите на синтероване, те трябва да бъдат сведени до абсолютния минимум, за да се запази структурната стабилност и устойчивостта на материала на окисляване.

Нисък коефициент на топлинно разширение

Ниският коефициент на термично разширение на силициевия карбид го прави идеален материал за използване като композит с керамична матрица (CMC) при тежки условия, което го прави популярен в приложения като газови турбини и ракетни дюзи, където материалите трябва да издържат на високи температури, както и на термични шокове.

Устойчивостта на корозия прави неръждаемата стомана отличен избор на материал за облицовки на химически промишлени пещи, където тя може да издържа на екстремни температури, като същевременно запазва структурната си цялост. Освен това неръждаемата стомана предлага голяма химическа стабилност, позволяваща дълги периоди на работа във враждебни течни среди като киселинни и алкални разтвори.

Най-разпространеният полиморф на силициевия карбид, алфа-формата, може да бъде открит при температури над 1700 градуса по Целзий с вурцитна кристална структура и температури на топене над 1700 градуса по Целзий. Въпреки това може да съществува и по-рядка бета форма с кристална структура на цинков бленд, подобна на диаманта, и по-ниска температура на топене при 1030 градуса по Целзий - тази по-рядка форма може да служи като поддръжка за хетерогенни катализатори.

Силициевият карбид може да бъде открит както като пореста, така и като плътна керамика. Техниките на производство варират в широки граници, като крайната микроструктура зависи от използвания метод на производство. Реакционно-свързаният SiC се произвежда чрез инфилтриране на компакти от смес от въглерод и SiC с разтопен силиций, който реагира помежду си, за да образува повече SiC, свързвайки първоначалния компакт; синтерованият SiC, като Hexoloy, се формира чрез конвенционални процеси на формиране на керамика, преди да бъде изпечен при високи температури в инертна атмосфера.

Висока твърдост

Твърдостта на силициевия карбид по скалата на Моос достига до 9,5, което го поставя на трето място след диаманта и боровия нитрид. Това го прави подходящ за режещи инструменти и абразивни материали, както и за производство на високотемпературни износоустойчиви части като лагери и уплътнения в приложенията на механичната промишленост.

Уникалната комбинация от стабилни химични свойства, отлична топлопроводимост, нисък коефициент на термично разширение, твърдост и механична якост на силициевия карбид води до широкото му използване в редица индустрии, включително нефтодобив, химическо инженерство, микроелектроника, автомобилостроене, авиация, производство на хартия, лазерно минно дело. Освен това силициевият карбид намира приложение и в информационната електроника за опазване на околната среда и в областта на енергетиката.

Силициевият карбид (SiC) може да се произвежда чрез два процеса - реакционно свързване и синтероване, като и двата процеса оказват влияние върху крайната му микроструктура. Реакционното свързване на SiC обикновено се създава чрез инфилтриране на уплътнения, състоящи се от смеси на силиций и въглерод, с течен силиций, който след това реагира с други силициево-въглеродни молекули, за да образува повече SiC връзки, докато синтерованият SiC се произвежда с помощта на конвенционални техники за формиране на керамика и неоксидни помощни средства за синтероване.

Отличната обработваемост на силициевия карбид го прави отличен материал за производство на износоустойчиви уплътнителни компоненти, особено в комбинация с графит. Тази комбинация предлага по-ниски коефициенти на триене от алуминиевата керамика и твърдите сплави и ще запази формата си при високи стойности на PV, за да предотврати изтичането на химикали като основи и киселини в околната среда.