Karbid křemíku je jedním z nejtvrdších a nejodolnějších pokročilých keramických materiálů, který se používá jak pro svou tvrdost jako brusný materiál, tak pro tepelnou odolnost a nízký koeficient tepelné roztažnosti v žáruvzdorných a keramických aplikacích.
Moissanit se může vyskytovat i v přírodě jako průhledný minerál moissanit. První uměle syntetizované vzorky byly vytvořeny v roce 1891 při pokusu Edwarda Achesona o vytvoření umělých diamantů; později chemik Henri Moissan, nositel Nobelovy ceny, uměle syntetizoval další vzorky.
Pevnost při vysokých teplotách
Karbid křemíku (SiC) je extrémně pevná neoxidová keramika, která nabízí výjimečnou odolnost proti korozi a chemickému napadení při zvýšených teplotách. SiC nachází uplatnění jako žáruvzdorný vyzdívkový materiál v průmyslových pecích jako žáruvzdorný vyzdívkový materiál; brusné kotouče; řezné nástroje; a v aplikacích, kde je důležitá pevnost, jako jsou brusné kotouče, řezné nástroje a obráběcí aplikace. Kromě toho tvoří SiC komponenty klíčové součásti odporových topných těles, termistorů pro elektrické pece a také vyzdívek trubek a těsnicích ploch obsahujících SiC.
SiC je známý svou vynikající tepelnou odolností a pevností při zvýšených teplotách, díky čemuž je vysoce ceněn v průmyslových aplikacích. SiC odolává oxidaci při teplotách do 1 000 °C tím, že vytváří ochrannou vrstvu oxidu, která působí jako bariéra mezi jeho povrchem a prvky, které obklopuje; při vyšších teplotách však mohou touto bariérou pronikat trhliny a rozptylovat energii prostřednictvím mezikrystalických nebo zrnitých oblastí, což vede k obtížím při zvyšování pevnosti při zvýšených teplotách.
Karbid křemíku lze vyrábět dvěma různými procesy: reakčním spojováním a slinováním. Obě formy mají významný vliv na jeho mikrostrukturu, a tím i na jeho vlastnosti při zvýšených teplotách. Reakční lepení zahrnuje infiltraci zelených kompaktů tvořených směsí SiC a uhlíku kapalným křemíkem; tím vznikají struktury s minimální změnou rozměrů během zpracování a s expanzivním povrchem. Žáruvzdorná mikrostruktura jádro-plášť poskytuje jedinečné vlastnosti, které prokazatelně zvyšují pevnost SiC při zvýšených teplotách.
Odolnost proti vysokým teplotám
Karbid křemíku je díky své mimořádné pevnosti vynikajícím materiálem pro vysokoteplotní aplikace, jako jsou keramické brzdové destičky pro spotřební automobily. Tento materiál je schopen odolávat teplotám až 1400 stupňů Celsia a přitom si zachovává výjimečnou pevnost a tvrdost, což z karbidu křemíku činí ideální materiál.
Karbid křemíku se od ostatních keramických materiálů liší tím, že při vysokých teplotách nedegraduje ani se netaví, takže je vhodný pro použití v aplikacích s vysokým namáháním a zatížením, jako jsou ložiska a neprůstřelné desky, aniž by došlo k trvalému poškození konstrukce. Díky tomu je karbid křemíku ideální zejména pro aplikace s vysokou mírou zatížení, jako jsou ložiska a neprůstřelné desky.
Karbid křemíku se v přírodě vyskytuje jako extrémně vzácný minerál moissanit, zatímco výroba syntetického sic splňuje požadavky moderní národní obrany, jaderné energetiky, kosmických technologií a leteckého průmyslu, které vyžadují přesné rozměry.
Slinutý karbid křemíku se může pochlubit jednou z nejvyšších tepelných vodivostí mezi technickou keramikou, druhou nejvyšší po nitridu hliníku. To lze přičíst jeho mřížkové kyslíkové struktuře, která způsobuje velký rozptyl fononů. Jeho tepelnou vodivost lze sice dále zvýšit použitím oxidových přísad při spékání, ty by však měly být omezeny na naprosté minimum, aby byla zachována strukturní stabilita a oxidační odolnost materiálu.
Nízký koeficient tepelné roztažnosti
Nízký koeficient tepelné roztažnosti karbidu křemíku z něj činí ideální materiál pro použití jako kompozit s keramickou matricí (CMC) v náročných podmínkách, díky čemuž se s oblibou používá v aplikacích, jako jsou plynové turbíny a raketové trysky, kde materiály musí odolávat vysokým teplotám i tepelným šokům.
Odolnost vůči korozi činí z nerezové oceli vynikající materiál pro vyzdívky chemických průmyslových pecí, kde odolává extrémním teplotám a zároveň si zachovává svou strukturální integritu. Kromě toho nerezová ocel nabízí velkou chemickou stabilitu, která umožňuje dlouhodobý provoz v nepříznivých kapalných prostředích, jako jsou kyselé a zásadité roztoky.
Nejrozšířenější polymorf karbidu křemíku, forma alfa, se vyskytuje při teplotách nad 1700 stupňů Celsia s wurtzitovou krystalovou strukturou a teplotou tání nad 1700 stupňů Celsia. Může však existovat i vzácnější beta forma s krystalovou strukturou zinkového blendu podobnou diamantu a nižší teplotou tání 1030 degC - tato vzácnější forma může sloužit jako podpora heterogenních katalyzátorů.
Karbid křemíku se vyskytuje v podobě porézní i husté keramiky. Výrobní techniky se značně liší a konečná mikrostruktura závisí na použité výrobní metodě. Reakčně vázaný SiC se vyrábí infiltrací kompaktů směsi uhlíku a SiC roztaveným křemíkem, který vzájemně reaguje za vzniku dalšího SiC, čímž se původní kompakt spojí; slinutý SiC, jako je Hexoloy, se vytváří běžnými keramickými tvářecími procesy před slinutím za vysokých teplot v inertní atmosféře.
Vysoká tvrdost
Tvrdost karbidu křemíku na Mohsově stupnici dosahuje až 9,5, čímž se řadí na třetí místo hned za diamant a nitrid boru. Díky tomu je vhodný pro řezné nástroje a abrazivní materiály a také pro výrobu dílů odolných proti opotřebení při vysokých teplotách, jako jsou ložiska a těsnění ve strojírenském průmyslu.
Jedinečná kombinace stabilních chemických vlastností, vynikající tepelné vodivosti, nízkého koeficientu tepelné roztažnosti, tvrdosti a mechanické pevnosti karbidu křemíku vedla k jeho širokému využití v několika průmyslových odvětvích, včetně ropného průmyslu, chemického inženýrství, mikroelektroniky, automobilového průmyslu, letecké papírenské výroby a laserové těžby. Kromě toho karbid křemíku nachází uplatnění také v informační elektronice na ochranu životního prostředí a v aplikacích pro využití energie.
Karbid křemíku (SiC) lze vyrábět dvěma procesy, reakčním spojováním a spékáním, přičemž oba tyto procesy ovlivňují jeho konečnou mikrostrukturu. Reakčně vázaný SiC se obvykle vytváří infiltrací kompaktů tvořených směsí křemíku a uhlíku kapalným křemíkem, který pak reaguje s dalšími molekulami křemíku a uhlíku za vzniku dalších vazeb SiC, zatímco spékaný SiC se vyrábí pomocí běžných technik tváření keramiky a neoxidových spékacích pomůcek pro výrobu.
Karbid křemíku je díky své vynikající obrobitelnosti vynikajícím materiálem pro výrobu těsnicích součástí odolných proti opotřebení, zejména v kombinaci s grafitem. Tato kombinace nabízí nižší koeficienty tření než korundová keramika a tvrdé slitiny a zachovává svůj tvar při vysokých hodnotách PV, aby se zabránilo úniku chemikálií, jako jsou louhy a kyseliny, do životního prostředí.