Reakčně vázaný karbid křemíku

Reakčně vázaný karbid křemíku (RBSC) je mimořádně tvrdý a pevný keramický materiál s vynikající mechanickou pevností, odolností proti nárazu, chemickou stabilitou a tvarovatelností, díky čemuž je vhodný pro různé aplikace.

RB-SiC má ve srovnání se slinutým karbidem křemíku nižší tvrdost, ale jeho výroba je jednodušší a levnější, přičemž se vyznačuje vynikající odolností proti tepelným šokům.

Fyzikální vlastnosti

Proces RMI využívá částice a-SiC zabudované do porézní uhlíkové předlisku (G0) před infiltrací kapalným křemíkem, aby se dosáhlo reakčně vázaného karbidu křemíku. Kapalný křemík však bohužel může způsobit ucpání pórů v důsledku procesu infiltrace, a proto byl v této studii použit vícefázový uhlík jako protilátka proti tomuto problému a ke zlepšení mechanických vlastností RB-SiC.

Vícefázový uhlík se skládal z jemných amorfních sazí a hrubého mikrosférického uhlíku. Při infiltraci kapalným křemíkem se mikrosférický uhlík spotřebovává, zatímco amorfní uhlík může unikat z pórů, aby zabránil jejich ucpání reakcemi vyplňujícími póry - při pozorování na vzorcích P10F90, P20F80 a P30F70 se tedy charakteristický pík nevyskytoval, což naznačuje, že vícefázový uhlík pomohl tomuto problému předejít a zlepšit pevnost v ohybu s rostoucí teplotou infiltrace a dobou namáčení.

Mechanické vlastnosti

Karbid křemíku RB se vyrábí infiltrací roztaveného křemíku do porézní uhlíkové nebo grafitové předlisku, kde reaguje s uhlíkem za vzniku SiC a vytváří vynikající keramický materiál odolný proti opotřebení, nárazům a chemikáliím, který se dodává v různých tvarech a velikostech od jednoduchých kuželů a nátrubků až po větší konstrukční díly pro těžební nebo zpracovatelský průmysl.

Složení kompozitního prekurzoru, zejména poměr PF a FA, ovlivňuje rychlost reakce mezi uhlíkem a kapalným křemíkem během vysokoteplotní pyrolýzy. Vícefázový uhlík zvyšuje průnik kapalného křemíku póry v porézních předlohách; odstupňované zdroje uhlíku pomáhají řídit obsah b-SiC i volného Si.

Pevnost v ohybu a modul pružnosti karbidu křemíku RB lze podstatně zvýšit pečlivým tříděním jeho zdroje uhlíku, a to díky eliminaci hladkých černých a bílých blokových povrchů zrn, které způsobují mezikrystalové lomy při ohybu.

Tepelné vlastnosti

Tepelné vlastnosti reakčně vázané keramiky z karbidu křemíku závisí na typu a podílu vazby. Reakčně vázaný karbid křemíku (RBSC), infiltrovaný kovovými částicemi křemíku, infiltrovaný do uhlíkových nebo grafitových preforem, které se během tohoto procesu nesmršťují; lze tak vytvářet díly s velmi přesnými rozměry.

Po infiltraci RBSC se pak podrobí vysokoteplotnímu nitridování při vysokých teplotách. Tím se kovový křemík přemění na nitrid SiC a zbývající pórové prostory se vyplní síťovým materiálem karbidu křemíku. XRD ukazuje, že tato forma obsahuje diamant, a-SiC, b-SiC, Si a SiO2, zatímco SEM ukazuje vrstvy grafitu i amorfní uhlík.

Díky přítomné grafitové vrstvě vykazuje RBSC nižší hodnoty k než slinutý SiC, přesto však předčí hodnoty NSIC. Kromě toho výrazně překonává keramiku na bázi SiO2, pokud jde o odolnost proti korozi, odolnost proti vysokým teplotám, odolnost proti tepelným šokům a schopnost absorbovat tepelné šoky.

Elektrické vlastnosti

Reakčně vázaný karbid křemíku má skvělé elektrické vlastnosti, jako je nízký měrný odpor a vysoká tepelná vodivost. Díky těmto vlastnostem je vynikající volbou materiálu pro elektrické topné prvky. Kromě toho je díky své chemické inertnosti a odolnosti vůči oxidaci vhodný pro termočlánky pecí, hroty hořáků, kontrolní cihly a mufny v pecích; díky své vynikající odolnosti vůči tepelným šokům je vhodný také jako nábytek v pecích.

Reakčně vázaný SiC lze vytvořit procesem smíchání jemně rozdělených intimních směsí siku a uhlíku s plastifikátorem, následným tvarováním a vypálením plastifikátoru před infiltrací kapalným nebo plynným křemíkem. Tato reakce umožňuje křemíku vázat se s uhlíkem za vzniku většího množství karbidu křemíku, který pak reaguje s původním karbidem křemíku za vzniku kompozitu sestávajícího z a-SiC, b-SiC a zbytkového Si.

V době infiltrace se tvrdí, že granule a-SiC a b-SiC vytvořené během reakce jsou rovnoměrně rozptýleny po celé porézní předloze bez hrudkování, což je pravděpodobně způsobeno tím, že kapilární kanály nejsou blokovány nově vytvořenými částicemi b-SiC.