Slinutý karbid křemíku

Karbid křemíku patří k nejtvrdším keramickým materiálům a vyznačuje se mimořádně vysokou pevností a tepelnou vodivostí. Díky své odolnosti proti oxidaci a korozi je navíc vhodný pro použití v prostředí s vysokými teplotami.

SiC spojený reakcí má hrubá zrna a nízkou odolnost proti korozi, zatímco přímo slinutý SiC je hustší a vykazuje lepší vlastnosti při vysokých teplotách. Při beztlakovém slinování se používá velmi jemný prášek SiC s neoxidovými slinovacími přísadami, čímž vzniká hustý materiál s vynikajícími fyzikálními vlastnostmi.

Tvrdost

Karbid křemíku patří mezi nejtvrdší běžně používané brusné materiály; na Mohsově stupnici tvrdosti dosahuje hodnoty 9,5 – což se blíží hodnotě 10, kterou má diamant. Díky této tvrdosti vykazuje vynikající odolnost proti opotřebení i při zvýšených teplotách; chemikálie, soli, kyseliny a zásady pro něj nepředstavují velkou hrozbu; má dobrou odolnost proti tepelným šokům; navíc váží jen polovinu toho, co ocel!

Sintrování v kapalné fázi nabízí oproti jiným procesům řadu výhod, mezi něž patří nízké teploty zpracování a dobrá tvarovatelnost. Díky plné hustotě a vynikajícím mechanickým vlastnostem je navíc vhodný pro abrazivní obrábění, broušení a leštění, stejně jako pro řezání, vrtání, leptání a frézování.

Sintrovaný SiC se díky své výjimečné chemické stabilitě, teplotní odolnosti, nízké hustotě, pevnosti, odolnosti proti opotřebení a nízké aktivační energii široce využívá pro výrobu součástí zařízení pro výrobu polovodičů, laserů a konstrukčních prvků fúzních reaktorů. K dispozici jsou jak reakčně vázané, tak přímo slinuté třídy SiC; reakčně vázané třídy obvykle nabízejí nižší náklady s hrubší zrnitostí pro nižší nárazovou a tepelnou zátěž, zatímco přímo slinuté třídy nabízejí vynikající odolnost proti opotřebení při zvýšených teplotách díky jemnější zrnitosti, která zajišťuje vyšší odolnost proti opotřebení při zvýšených teplotách. Reakčně vázané typy s hrubší zrnitostí se obvykle specifikují a používají častěji.  Pro vyšší tvrdost v pracovních podmínkách, než jaké vyžadují vysokoteplotní aplikace, se častěji specifikují a používají přímo slinuté typy, a to díky vynikající odolnosti proti opotřebení při zvýšených teplotách; v opačném případě, pokud je požadována vyšší tvrdost než odolnost proti opotřebení při zvýšených teplotách, jsou upřednostňovány typy vázané reakcí.tvrdosti při zvýšených pracovních teplotách, a proto jsou častěji specifikovány než přímo slinuté typy; pokud jsou specifikovány přímo slinuté typy, může být nutné specifikovat obě možnosti, a proto se častěji používají ty, které poskytují jak odolnost proti opotřebení, tak tvrdost.

Síla

Karbid křemíku je mimořádně pevný žáruvzdorný keramický materiál, který se vyznačuje vynikající tvrdostí, vysokou teplotní pevností a odolností proti chemické korozi – díky těmto vlastnostem patří mezi nejuniverzálnější žáruvzdorné materiály na světě a nachází uplatnění v nejrůznějších průmyslových oblastech.

Spečování za tepla je jednou z hlavních metod výroby keramiky z karbidu křemíku (SiC). Tato technika využívá extrémně jemný prášek z karbidu křemíku smíchaný se spečovacími přísadami, který se lisuje pomocí tradičních keramických tvářecích metod, jako je izostatické lisování, lisování do formy nebo vstřikování, za účelem výroby hustých struktur složených z drobných částic, které zajišťují pevnost.

Beztlakové slinování SiC v kapalné fázi (LPPSiC) je další technikou zhutňování materiálu SiC. Při tomto postupu se do surového tělesa z částic a-SiC zavádí tekutý křemík nebo křemíková slitina, čímž vzniká b-SiC, který reaguje a spojuje se s existujícími částicemi a-SiC, čímž dochází k jejich zhutnění a zhutnění tělesa jako celku.

Reakčně slinutý karbid křemíku se vyznačuje vynikající tvarovatelností složitých tvarů, nízkými teplotami zpracování a vysokou čistotou; jeho mechanické vlastnosti, jako je pevnost v ohybu, jsou nižší než u běžného slinutého karbidu křemíku; pro zvýšení této vlastnosti je nutné regulovat velikost zbytkového Si tím, že se velikost částic udrží pod 100 nm – tento výsledek představuje velký úspěch ve zlepšování pevnosti keramiky LSiC.

Odolnost proti korozi

Karbid křemíku se vyznačuje vynikající odolností proti korozi a snáší teploty až do 1 900 °C, díky čemuž je vhodný pro aplikace, v nichž by chemické a tepelné šoky mohly poškodit součásti.

Koroze keramických materiálů vzniká v důsledku tvorby oxidové vrstvy na jejich povrchu, obvykle z oxidu křemičitého nebo křemičitanu, v závislosti na faktorech, jako jsou působení vnějšího prostředí, nečistoty, slinovací přísady, fáze na hranicích zrn a reakce, k nimž došlo krátce poté. To vede k značným rozdílům v korozním chování materiálů z karbidu křemíku a nitridu křemíku.

Jelikož při navrhování materiálů pro použití v korozivních prostředích jsou hlavními kritérii životnost (měřená jako rychlost úbytku v korozivním prostředí) a mechanická pevnost (pevnost v ohybu podle zkoušky C-kroužkem nebo čtyřbodového ohybu), koroze zvyšuje počet povrchových vad, které v průběhu času oslabují pevnost materiálu a zkracují jeho mechanickou životnost.

Spečený karbid křemíku je díky kombinaci vysoké pevnosti a odolnosti proti opotřebení, nízké měrné hmotnosti a vynikajících tribologických vlastností vynikající volbou pro použití v náročných podmínkách. Často se používá v součástech, které musí odolávat rázovým zatížením způsobeným velkými zátěžemi, jako jsou tryskací trysky nebo ložiska pro kluzná ložiska; kromě toho se hojně využívá při výrobě brzd z karbidu křemíku vyztuženého uhlíkovými vlákny nebo při výrobě neprůstřelných pancířů, protože je odolný vůči vysokým namáháním a teplotám.

Odolnost

Sintrovaný karbid křemíku je mimořádně tvrdý keramický materiál s vynikající odolností proti opotřebení a korozi, díky čemuž se skvěle hodí jako brusivo. Používá se v brusných kotoučích, honovacích kamenech pro honování, pískovacích strojích a řezacích zařízeních s vodním paprskem pro broušení či honování, stejně jako při řezání vodním paprskem.

Díky své chemické odolnosti tento materiál snáší dlouhodobé působení běžných anorganických kyselin, solí a zásad, aniž by docházelo k jeho degradaci. Jeho trvanlivost je navíc zvýšena díky pevně svázaným kovalentním vazbám, které vznikají mezi 4 atomy křemíku a 4 atomy uhlíku v rámci tetraedrických koordinačních struktur.

Sintrovaný SiC vzniká lisováním a sintrováním (zahříváním) částic křemičitého prášku. Díky sintrování se tyto jednotlivé částice spojí do pevného celku s vysokou tvrdostí a pevností, který je navíc odolný vůči oxidaci a korozi; vyznačuje se také vyšší trvanlivostí než většina druhů keramiky.

Reakčně vázaný karbid křemíku, vyráběný infiltrací tekutého křemíku do porézních grafitových nebo uhlíkových předlisek, vykazuje nižší pevnost než slinutý karbid křemíku, je však vhodnější díky nízkým teplotám zpracování, dobré tvarovatelnosti a vyšší čistotě. Komerčně dostupný reakčně slinutý karbid křemíku má pevnost v ohybu při pokojové teplotě kolem 300 MPa.

Reakčně slinutý karbid křemíku s přísadami na slinování v podobě boru nebo uhlíku vykazuje mimořádně vysokou odolnost proti tečení, čehož je dosaženo úpravou energií na hranicích zrn a povrchových energií, jakož i zvýšením rychlosti objemové difúze, což podporuje zhutnění a zpevnění. Díky tomu mohou zrna zůstat v přímém krystalickém kontaktu, aniž by se na hranicích zrn tvořily struktury druhé fáze.