Reaktionsbundet siliciumcarbid

Reaktionsbundet siliciumcarbid (RBSC) er et usædvanligt hårdt og stærkt keramisk materiale med overlegen mekanisk styrke, slagfasthed, kemisk stabilitet og formbarhed, hvilket gør det velegnet til forskellige anvendelser.

RB-SiC har lavere hårdhed end sintret siliciumcarbid, men er lettere og billigere at fremstille, samtidig med at det har fremragende egenskaber til at modstå termisk chok.

Fysiske egenskaber

RMI-processen anvender a-SiC-partikler, der er inkorporeret i en porøs kulstofpræform (G0), før de infiltreres med flydende silicium for at opnå reaktionsbundet siliciumcarbid. Desværre kan flydende silicium dog få porerne til at stoppe til på grund af infiltrationsprocessen, og derfor blev der i denne undersøgelse brugt flerfaset kulstof som en modgift mod dette problem og til at forbedre de mekaniske egenskaber ved RB-SiC.

Flerfaset kulstof bestod af fint amorft carbon black og groft mikrosfærisk kulstof. Når det infiltreres med flydende silicium, forbruges det mikrosfæriske kulstof, mens det amorfe kulstof kan undslippe porerne for at forhindre, at porefyldningsreaktioner tilstopper dem - således var den karakteristiske top ikke til stede, når den blev observeret på prøverne P10F90, P20F80 og P30F70, hvilket tyder på, at flerfaset kulstof hjalp med at undgå dette problem og forbedre bøjningsstyrken, når infiltrationstemperaturen og iblødsætningstiden steg.

Mekaniske egenskaber

RB siliciumcarbid produceres ved at infiltrere smeltet silicium i en porøs kulstof- eller grafitpræform, hvor det reagerer med kulstof og danner SiC og skaber et enestående slid-, slag- og kemikaliebestandigt keramisk materiale, der fås i forskellige former og størrelser lige fra enkle kegle- og muffeformer til større konstruerede dele til mine- eller forarbejdningsindustrien.

Sammensætningen af en kompositforløber, især forholdet mellem PF og FA, påvirker reaktionshastigheden mellem kulstof og flydende silicium under pyrolyse ved høj temperatur. Flerfaset kulstof øger indtrængningen af flydende silicium gennem porerne i porøse præforme; graduerede kulstofkilder hjælper med at kontrollere både indholdet af b-SiC og frit Si.

Bøjningsstyrken og det elastiske modul i RB-siliciumcarbid kan øges betydeligt gennem omhyggelig sortering af kulstofkilden, fordi man eliminerer glatte sorte og hvide blokkornoverflader, som forårsager intergranulært brud under bøjning.

Termiske egenskaber

De termiske egenskaber ved reaktionsbundet siliciumcarbid-keramik afhænger af typen og andelen af binding. Reaktionsbundet siliciumcarbid (RBSC), infiltreret med metalliske siliciumpartikler, infiltreret i kulstof- eller grafitpræforme, der ikke krymper under denne proces; dele med meget præcise dimensioner kan således skabes.

Efter at være infiltreret med RBSC udsættes det for højtemperaturnitrering ved høje temperaturer. Dette omdanner metallisk silicium til SiC-nitrid og fylder eventuelle resterende porerum med siliciumcarbid-netværksmateriale. XRD viser, at denne form indeholder diamant, a-SiC, b-SiC, Si og SiO2, mens SEM viser grafitlag samt amorft kulstof.

På grund af grafitlaget udviser RBSC lavere k-værdier end sintret SiC, men overgår alligevel NSIC. Desuden overgik det SiO2-baseret keramik betydeligt med hensyn til korrosionsbestandighed, modstandsdygtighed over for høje temperaturer, modstandsdygtighed over for termisk chok og absorptionskapacitet over for termisk chok.

Elektriske egenskaber

Reaktionsbundet siliciumcarbid har gode elektriske egenskaber, f.eks. lav specifik modstand og høj varmeledningsevne. Disse egenskaber gør det til et fremragende materialevalg til elektriske varmeelementer. Derudover gør dets kemiske inerti og modstandsdygtighed over for oxidation det velegnet til ovntermoelementer, brænderspidser, kontrolsten og muffler i ovne; dets overlegne modstandsdygtighed over for termisk chok gør det også velegnet som møbler i ovne.

Reaktionsbundet SiC kan skabes gennem processen med at blande finfordelte intime blandinger af sic og kulstof med blødgøringsmiddel og derefter forme og afbrænde blødgøringsmidlet, før det infiltreres med flydende eller gasformigt silicium. Denne reaktion gør det muligt for silicium at binde sig til kulstof for at producere mere siliciumcarbid, som derefter reagerer med det oprindelige siliciumcarbid for at danne en komposit bestående af a-SiC, b-SiC og resterende Si.

På infiltrationstidspunktet hævdes det, at a-SiC-granulat og b-SiC dannet under reaktionen er jævnt fordelt i hele den porøse præform uden at klumpe, hvilket sandsynligvis skyldes, at kapillærkanalerne ikke blokeres af nydannede b-SiC-partikler.