Επισκόπηση των κεραμικών υλικών καρβιδίου του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα από τα σκληρότερα και ανθεκτικότερα προηγμένα κεραμικά υλικά, που χρησιμοποιείται τόσο για τη σκληρότητά του ως λειαντικό υλικό όσο και για την αντοχή στη θερμότητα και τον χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής σε πυρίμαχα υλικά και κεραμικές εφαρμογές.

Ο μοισσανίτης μπορεί επίσης να εμφανιστεί στη φύση ως το διαφανές ορυκτό μοισσανίτης. Τα πρώτα τεχνητά συνθετικά δείγματα δημιουργήθηκαν το 1891 κατά την προσπάθεια του Edward Acheson να δημιουργήσει τεχνητά διαμάντια- αργότερα, ο βραβευμένος με Νόμπελ χημικός Henri Moissan συνέθεσε τεχνητά περισσότερα δείγματα.

Αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα εξαιρετικά ισχυρό μη οξειδωτικό κεραμικό που προσφέρει εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση και τις χημικές επιθέσεις σε υψηλές θερμοκρασίες. Το SiC χρησιμοποιείται ως υλικό πυρίμαχης επένδυσης σε βιομηχανικούς κλιβάνους ως υλικό πυρίμαχης επένδυσης, σε τροχούς λείανσης, σε κοπτικά εργαλεία και σε εφαρμογές όπου η αντοχή είναι απαραίτητη, όπως σε τροχούς λείανσης, κοπτικά εργαλεία και εφαρμογές κατεργασίας. Επιπλέον, τα συστατικά SiC αποτελούν βασικά μέρη σε θερμαντικά στοιχεία αντίστασης, θερμίστορες για ηλεκτρικούς κλιβάνους καθώς και σωλήνες επένδυσης και επιφάνειες στεγανοποίησης που περιέχουν SiC.

Το SiC είναι γνωστό για την ανώτερη θερμική αντοχή και την αντοχή του σε υψηλές θερμοκρασίες, γεγονός που το καθιστά ιδιαίτερα πολύτιμο στις βιομηχανικές εφαρμογές. Το SiC αντιστέκεται στην οξείδωση σε θερμοκρασίες έως και 1000 βαθμούς C δημιουργώντας ένα προστατευτικό στρώμα οξειδίου το οποίο λειτουργεί σαν φράγμα μεταξύ των επιφανειών του και των στοιχείων που περιβάλλουν- ωστόσο, σε υψηλότερες θερμοκρασίες οι ρωγμές μπορεί να διαπεράσουν αυτό το φράγμα και να διαχέουν ενέργεια μέσω ενδοκρυσταλλικών ή κοκκωδών περιοχών με αποτέλεσμα να δυσκολεύεται η αύξηση της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες.

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να κατασκευαστεί μέσω δύο διαφορετικών διεργασιών: αντίδραση με συγκόλληση και πυροσυσσωμάτωση. Και οι δύο μορφές επηρεάζουν σημαντικά τη μικροδομή του, άρα και την απόδοσή του σε υψηλές θερμοκρασίες. Η συγκόλληση με αντίδραση περιλαμβάνει τη διήθηση πράσινων συμπαγών υλικών που αποτελούνται από μείγματα SiC και άνθρακα με υγρό πυρίτιο- αυτό δημιουργεί δομές με ελάχιστη αλλαγή διαστάσεων κατά την επεξεργασία και εκτεταμένη επιφάνεια. Η πυρίμαχη μικροδομή πυρήνα-κελύφους παρέχει μοναδικά χαρακτηριστικά τα οποία έχει αποδειχθεί ότι αυξάνουν την αντοχή του SiC σε υψηλές θερμοκρασίες.

Αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία

Η αξιοσημείωτη αντοχή του καρβιδίου του πυριτίου το καθιστά εξαιρετική επιλογή υλικού για εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας, όπως τα κεραμικά τακάκια φρένων για καταναλωτικά αυτοκίνητα. Το υλικό έχει την ικανότητα να αντέχει σε θερμοκρασίες έως και 1400degC, διατηρώντας παράλληλα την εξαιρετική αντοχή και σκληρότητά του, γεγονός που καθιστά το καρβίδιο του πυριτίου ιδανικό υλικό.

Το καρβίδιο του πυριτίου ξεχωρίζει από άλλα κεραμικά υλικά, καθώς δεν υποβαθμίζεται ή δεν λιώνει σε υψηλές θερμοκρασίες, καθιστώντας το κατάλληλο για χρήση σε εφαρμογές με υψηλή καταπόνηση και φορτίο, όπως ρουλεμάν και αλεξίσφαιρες πλάκες, χωρίς να υφίσταται μόνιμη δομική βλάβη. Το γεγονός αυτό καθιστά το καρβίδιο του πυριτίου ιδιαίτερα ιδανικό για εφαρμογές που περιλαμβάνουν υψηλά επίπεδα φορτίου, όπως ρουλεμάν και αλεξίσφαιρες πλάκες.

Το καρβίδιο του πυριτίου εμφανίζεται στη φύση ως το εξαιρετικά σπάνιο ορυκτό μοισσανίτης, ενώ η παραγωγή συνθετικού sic ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις της σύγχρονης εθνικής άμυνας, της πυρηνικής ενέργειας, της διαστημικής τεχνολογίας και της αεροδιαστημικής βιομηχανίας που απαιτούν ακριβείς διαστάσεις.

Το καρβίδιο του πυριτίου σε πυροσυσσωμάτωση διαθέτει μία από τις υψηλότερες θερμικές αγωγιμότητες μεταξύ των τεχνικών κεραμικών, δεύτερη μόνο μετά το νιτρίδιο του αλουμινίου. Αυτό μπορεί να αποδοθεί στη δομή οξυγόνου του πλέγματος του, η οποία παράγει μεγάλη διασπορά φωνονίων. Ενώ η θερμική αγωγιμότητά του μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω με τη χρήση πρόσθετων οξειδίων στις διαδικασίες πυροσυσσωμάτωσης, αυτά θα πρέπει να διατηρούνται στο απόλυτο ελάχιστο για τη διατήρηση της δομικής σταθερότητας και της αντοχής του υλικού στην οξείδωση.

Χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής

Ο χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής του καρβιδίου του πυριτίου το καθιστά το τέλειο υλικό για χρήση ως σύνθετο υλικό κεραμικής μήτρας (CMC) υπό σκληρές συνθήκες, με αποτέλεσμα να εφαρμόζεται ευρέως σε εφαρμογές όπως αεριοστρόβιλοι και ακροφύσια πυραύλων, όπου τα υλικά πρέπει να αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες καθώς και σε περιβάλλοντα θερμικών σοκ.

Η αντίσταση στη διάβρωση καθιστά τον ανοξείδωτο χάλυβα εξαιρετική επιλογή υλικού για επενδύσεις χημικών βιομηχανικών κλιβάνων, όπου μπορεί να αντέξει ακραίες θερμοκρασίες διατηρώντας παράλληλα τη δομική του ακεραιότητα. Επιπλέον, ο ανοξείδωτος χάλυβας προσφέρει μεγάλη χημική σταθερότητα που επιτρέπει τη λειτουργία για μεγάλες περιόδους σε εχθρικά υγρά περιβάλλοντα, όπως όξινα και αλκαλικά διαλύματα.

Το πιο διαδεδομένο πολύμορφο του καρβιδίου του πυριτίου, η μορφή άλφα, μπορεί να βρεθεί σε θερμοκρασίες άνω των 1700 βαθμών Κελσίου με κρυσταλλική δομή wurtzite και σημεία τήξης άνω των 1700 βαθμών Κελσίου. Ωστόσο, μπορεί επίσης να υπάρξει η σπανιότερη μορφή βήτα με κρυσταλλική δομή zinc blende παρόμοια με του διαμαντιού και χαμηλότερο σημείο τήξης στους 1030 βαθμούς Κελσίου - αυτή η σπανιότερη μορφή μπορεί να χρησιμεύσει ως υποστήριξη για ετερογενείς καταλύτες.

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να βρεθεί τόσο ως πορώδες όσο και ως πυκνό κεραμικό. Οι τεχνικές παραγωγής ποικίλλουν ευρέως, με την τελική μικροδομή να εξαρτάται από τη χρησιμοποιούμενη μέθοδο παραγωγής. Το SiC που έχει συνδεθεί με αντίδραση παράγεται με διήθηση συμπαγών στοιχείων μίγματος άνθρακα-SiC με λιωμένο πυρίτιο, τα οποία αντιδρούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν περισσότερο SiC, συνδέοντας το αρχικό συμπαγές στοιχείο- το πυροσυσσωματωμένο SiC, όπως το Hexoloy, σχηματίζεται μέσω συμβατικών διαδικασιών σχηματισμού κεραμικών πριν πυροσυσσωματωθεί σε υψηλές θερμοκρασίες υπό αδρανή ατμόσφαιρα.

Υψηλή σκληρότητα

Η σκληρότητα του καρβιδίου του πυριτίου στην κλίμακα Mohs φτάνει το 9,5, τοποθετώντας το στην τρίτη θέση μετά το διαμάντι και το νιτρίδιο του βορίου. Αυτό το καθιστά κατάλληλο για κοπτικά εργαλεία και λειαντικά υλικά, καθώς και για την κατασκευή εξαρτημάτων ανθεκτικών στη φθορά σε υψηλές θερμοκρασίες, όπως ρουλεμάν και στεγανοποιήσεις σε εφαρμογές της μηχανικής βιομηχανίας.

Ο μοναδικός συνδυασμός σταθερών χημικών ιδιοτήτων, εξαιρετικής θερμικής αγωγιμότητας, χαμηλού συντελεστή θερμικής διαστολής, σκληρότητας και μηχανικής αντοχής του καρβιδίου του πυριτίου έχει οδηγήσει στην ευρεία χρήση του σε διάφορες βιομηχανίες, όπως το πετρέλαιο, η χημική μηχανική, η μικροηλεκτρονική, τα αυτοκίνητα, η αεροπλοΐα, η χαρτοποιία και η εξόρυξη λέιζερ. Επιπλέον, το καρβίδιο του πυριτίου βρίσκει επίσης χρήση σε εφαρμογές ηλεκτρονικών πληροφοριών προστασίας του περιβάλλοντος και χρήσης ενέργειας.

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) μπορεί να παραχθεί με δύο διεργασίες, τη συγκόλληση με αντίδραση και την πυροσυσσωμάτωση, οι οποίες επηρεάζουν την τελική μικροδομή του. Το SiC που συνδέεται με αντίδραση δημιουργείται συνήθως με διήθηση συμπαγών υλικών που αποτελούνται από μείγματα πυριτίου και άνθρακα με υγρό πυρίτιο, το οποίο στη συνέχεια αντιδρά με άλλα μόρια πυριτίου-άνθρακα για να σχηματίσει περισσότερους δεσμούς SiC, ενώ το πυροσυσσωματωμένο SiC παράγεται με τη χρήση συμβατικών τεχνικών διαμόρφωσης κεραμικών και βοηθημάτων πυροσυσσωμάτωσης χωρίς οξείδια για την παραγωγή.

Η εξαιρετική κατεργασιμότητα του καρβιδίου του πυριτίου το καθιστά εξαιρετικό υλικό για την παραγωγή ανθεκτικών στη φθορά εξαρτημάτων στεγανοποίησης, ιδίως όταν συνδυάζεται με γραφίτη. Αυτός ο συνδυασμός προσφέρει χαμηλότερους συντελεστές τριβής από ό,τι το κεραμικό αλουμίνας και τα σκληρά κράματα και διατηρεί το σχήμα του κατά τη διάρκεια υψηλών τιμών PV για να αποτρέψει τη διαρροή χημικών ουσιών όπως αλκάλια και οξέα στο περιβάλλον.