Udforskning af holdbarheden af siliciumcarbid i barske miljøer

Siliciumcarbid er en stærk forbindelse, der dannes ved en kemisk reaktion ved høj temperatur mellem silicium og kulstof, og som har en ekstremt holdbar krystallinsk struktur, der gør den velegnet til brug i barske miljøer.

Siliciumcarbid kræver streng kvalitetskontrol under produktionsprocessen for at sikre dets lange levetid i barske arbejdsmiljøer. Vi vil undersøge, hvilke faktorer der påvirker dets levetid.

Korrosionsbestandighed

SiC er et ekstremt hårdt, tæt materiale, der består af forskellige former eller polytyper af siliciumcarbidkrystalstruktur med kulstofatomer arrangeret tetraedrisk for at udgøre dets lag eller polytyper, hvilket producerer strukturer med kulstofatomer arrangeret tetraedriske bindinger mellem kulstofatomer arrangeret som lag eller polytyper, der skaber dets unikke korrosionsbestandige kvaliteter. Trykløst sintret siliciumcarbid (C/C-SiC) modstår alle syrer (saltsyre og svovlsyre), basiske opløsningsmidler og oxiderende miljøer som salpetersyre, mens det forbliver korrosionsbestandigt nok til, at faste digler lavet af C/C-SiC ofte anvendes som ovnforing.

Korrosion af SiC-materialer kan være ekstremt kompleks og afhænger af flere faktorer. Materialernes korrosionsbestandighed afhænger af deres tykkelse og dybden af det oxidlag, der udvikles under oxidationsprocesserne; desuden er de kemiske og fysiske mekanismer, der er ansvarlige for at producere den berømte parabolske oxidationshastighed, stadig ufuldstændigt forstået.

Langtidskorrosionstest er nødvendige for at evaluere effekten af korrosive miljøer på materialestyrke. Langtidskorrosion kan øge antallet af overfladefejl, der nedsætter materialernes styrke og holdbarhed over tid.

Elkem gennemførte omfattende korrosionsfølsomhedsanalyser af fire typer SiC til SiC-pladesamlinger, der blev sammenføjet ved hjælp af metaldiffusionsbinding med enten molybdæn eller titanium mellemlag, reaktionssintring og sintring af SiC-nanopulver. Alle prøver gennemgik fem ugers hydrotermisk test ved forhøjet temperatur uden strålingskontaminering under fem ugers hydrotermisk test ved forhøjet temperatur.

Modstand mod varmeudvidelse

Siliciumcarbid (SiC) er et ekstremt hårdt syntetisk materiale, der ligger et sted på Mohs-skalaen mellem aluminiumoxid (9), med et gennemsnit på 9, og diamant (10 i gennemsnit). SiC bruges som slibemiddel og slidstærke dele i mekaniske anvendelser; til ildfaste foringer i industriovne og keramik; som ildfaste belægninger på flybrændstoftanke; som ildfaste foringer i ovne, der bruges af industrien; og elektroniske halvlederenheder, der arbejder ved høje temperaturer.

Siliciumcarbid er et bemærkelsesværdigt termomekanisk keramisk materiale med en lav varmeudvidelseskoefficient, som gør det i stand til at bevare sin form og størrelse under hurtige temperatursvingninger og gøre produkter, der fungerer i ekstreme miljøer, mere pålidelige.

Siliciumcarbid har enestående mekaniske egenskaber og kan prale af stor varmeledningsevne med et bredt driftstemperaturområde, ligesom det er meget modstandsdygtigt over for korrosion og kemiske angreb, hvilket gør det velegnet til anvendelser i barske miljøer i industrier som bilindustrien, rumfart og elektronik.

Denne bog præsenterer mikrosystemteknologi baseret på både bulk- og tyndfilmssiliciumcarbid (SiC) og dækker dens fremgang som en vigtig platform for mikrosystemer til barske miljøer ved at kombinere fremstilling af elektroniske enheder med mekaniske MEMS-enheder. Bogen undersøger også de vanskeligheder, der er forbundet med at kombinere forskellige processer og materialer til brugbare sensormoduler; især temperaturforskelle mellem komponenter samt SiC's miljøfølsomhed udforskes grundigt, mens den nyeste viden inden for både SiC-teknologi i bulkmateriale og SiC-tyndfilmsteknologier diskuteres grundigt.

Modstandsdygtighed over for slid

Wolframcarbid (WC) er en vigtig og alsidig legering, der bruges til mange formål, og som har ekstrem hårdhed, høj ledningsevne, lav varmeudvidelse og korrosionsbestandighed. Wolframcarbid skabes, når rent wolframpulver blandes med andre metaller som kulstof, nikkel eller kobolt ved hjælp af en proces, der kaldes sintring; når det er formet til former til specifikke anvendelser ved presning og smedning, oftest skæreværktøjer. Wolframs ekstreme holdbarhed rækker meget længere end andre metaller, der bruges til skæreværktøjer; desuden bruges det ofte af militære enheder, der bruger en angrebstaktik kaldet kinetisk bombardement, hvor kugler affyres direkte mod fjender for at trænge igennem panserbeskyttelse og gennemtrænge fjendens forsvar.

Wolframcarbid (WC) bruges i vid udstrækning til præcisionsteknik på grund af dets evne til at modstå meget høje hastigheder og tryk, og det har det højeste Young-modul, den hårdeste overflade, den laveste varmeudvidelse og den bedste slidstyrke af alle metaller. Desuden gør WC's store duktilitet det muligt at forme det til stænger eller ekstrudere det som tråd, f.eks. i glødepærer.

Wolframcarbid er notorisk skrøbeligt og modtageligt for revner eller brud under kraftige påvirkninger, hvilket gør det mere udsat for påvirkninger end ædelmetaller som guld og platin. Alligevel er det stadig populært i militære anvendelser, hvor stødmodstand er afgørende, som f.eks. på NCSU's kratertestanlæg, hvor man bruger bufferskiver af wolframcarbid til at absorbere projektilnedslag.

Elektrisk ledningsevne

Siliciumcarbids unikke kombination af keramiske egenskaber og halvlederegenskaber gør det til et meget tilpasningsdygtigt materiale, der egner sig til industriel og elektronisk brug. På grund af disse egenskaber kan elektronik af siliciumcarbid fungere selv i barske miljøer med høje temperaturer og spændingsniveauer, der normalt ville diskvalificere anden elektronik fra at fungere ordentligt.

Kemisk set er siliciumcarbid et utroligt stabilt materiale. Det modstår de fleste syrer (saltsyre, svovlsyre og flussyre), salte og baser med undtagelse af koncentreret svovlsyre; desuden reagerer det ikke med vand, hvilket gør det til et ideelt materialevalg til komponenter, der skal udsættes for væske i længere tid.

Siliciumcarbid har fremragende elektriske egenskaber på grund af sin atomare struktur. Det krystalliserer i tætpakkede strukturer, der indeholder kovalent bundne lag af kulstof og silicium. Disse lag kan arrangeres i forskellige konfigurationer kaldet polytyper; hver polytype er kendetegnet ved sin egen stablingssekvens, hvilket giver anledning til forskellige krystalstrukturer med hver deres unikke egenskaber.

Siliciumcarbids mange egenskaber placerer det i spidsen for teknologisk innovation. Anvendelse i ekstreme og højtydende tekniske applikationer som pumpelejer, ventiler, sandblæsningsinjektorer og ekstruderingsforme samt fremstilling af halvlederenheder, der fungerer under ekstreme miljøer, kan føre til betydelige forbedringer på tværs af brancher.