Καρβίδιο πυριτίου συνδεδεμένο με αντίδραση

Το καρβίδιο πυριτίου συνδεδεμένο με αντίδραση (RBSC) είναι ένα εξαιρετικά σκληρό και ισχυρό κεραμικό υλικό με ανώτερη μηχανική αντοχή, αντοχή στην κρούση, χημική σταθερότητα και δυνατότητα μορφοποίησης, καθιστώντας το κατάλληλο για διάφορες εφαρμογές.

Το RB-SiC προσφέρει χαμηλότερη σκληρότητα σε σύγκριση με το πυροσυσσωματωμένο καρβίδιο του πυριτίου, αλλά είναι ευκολότερο και λιγότερο δαπανηρό στην κατασκευή, ενώ διαθέτει εξαιρετικές ιδιότητες αντοχής σε θερμικό σοκ.

Φυσικές ιδιότητες

Η διεργασία RMI χρησιμοποιεί σωματίδια α-SiC ενσωματωμένα σε πορώδες προπλάσμα άνθρακα (G0), πριν διηθηθεί με υγρό πυρίτιο για την επίτευξη καρβιδίου πυριτίου συνδεδεμένου με αντίδραση. Δυστυχώς, όμως, το υγρό πυρίτιο μπορεί να προκαλέσει απόφραξη των πόρων λόγω της διαδικασίας διήθησης και, επομένως, στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκε πολυφασικός άνθρακας ως αντίδοτο για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος και για τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων του RB-SiC.

Ο πολυφασικός άνθρακας αποτελούνταν από λεπτόκοκκο άμορφο αιθάλη και χονδρόκοκκο μικροσφαιρικό άνθρακα. Όταν διηθείται με υγρό πυρίτιο, ο μικροσφαιρικός άνθρακας καταναλώνεται, ενώ ο άμορφος άνθρακας μπορεί να διαφύγει από τους πόρους για να αποτρέψει τις αντιδράσεις πλήρωσης των πόρων που τους φράζουν - έτσι, όταν παρατηρήθηκε στα δοκίμια P10F90, P20F80 και P30F70 η χαρακτηριστική κορυφή δεν ήταν παρούσα, υποδηλώνοντας ότι ο πολυφασικός άνθρακας βοήθησε στην αποφυγή αυτού του προβλήματος και στη βελτίωση της αντοχής σε κάμψη καθώς αυξάνονταν η θερμοκρασία διήθησης και ο χρόνος εμβάπτισης.

Μηχανικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου RB παράγεται με διήθηση λιωμένου πυριτίου σε πορώδη προπλάσματα άνθρακα ή γραφίτη, όπου αντιδρά με τον άνθρακα για να σχηματίσει SiC και να δημιουργήσει ένα εξαιρετικό κεραμικό υλικό ανθεκτικό στη φθορά, την κρούση και τα χημικά, το οποίο διατίθεται σε διάφορα σχήματα και μεγέθη, από απλά σχήματα κώνων και μανικιών έως μεγαλύτερα κατασκευασμένα εξαρτήματα για βιομηχανίες εξόρυξης ή επεξεργασίας.

Η σύνθεση μιας πρόδρομης σύνθετης ύλης, ιδίως η αναλογία PF προς FA, επηρεάζει τον ρυθμό αντίδρασης μεταξύ άνθρακα και υγρού πυριτίου κατά την πυρόλυση σε υψηλές θερμοκρασίες. Ο πολυφασικός άνθρακας ενισχύει τη διείσδυση του υγρού πυριτίου μέσω των πόρων στα πορώδη προπλάσματα- οι διαβαθμισμένες πηγές άνθρακα βοηθούν στον έλεγχο τόσο της περιεκτικότητας σε b-SiC όσο και του ελεύθερου Si.

Η αντοχή σε κάμψη και το μέτρο ελαστικότητας του καρβιδίου του πυριτίου RB μπορούν να αυξηθούν σημαντικά μέσω προσεκτικής διαβάθμισης της πηγής άνθρακα, λόγω της εξάλειψης των λείων μαύρων και λευκών επιφανειών κόκκων μπλοκ που προκαλούν ενδοκοκκική θραύση κατά την κάμψη.

Θερμικές ιδιότητες

Οι θερμικές ιδιότητες των κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου που συνδέονται με αντίδραση εξαρτώνται από τον τύπο και την αναλογία της σύνδεσης. Καρβίδιο πυριτίου συνδεδεμένο με αντίδραση (RBSC), διηθημένο με μεταλλικά σωματίδια πυριτίου, διηθημένο σε προπλάσματα άνθρακα ή γραφίτη που δεν συρρικνώνονται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας- έτσι μπορούν να δημιουργηθούν εξαρτήματα με πολύ ακριβείς διαστάσεις.

Αφού διηθηθεί με RBSC, υποβάλλεται στη συνέχεια σε νιτροποίηση υψηλής θερμοκρασίας σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτό μετατρέπει το μεταλλικό πυρίτιο σε νιτρίδιο SiC και γεμίζει τυχόν εναπομείναντα κενά πόρων με υλικό δικτύου καρβιδίου του πυριτίου. Το XRD δείχνει ότι αυτή η μορφή περιέχει διαμάντι, α-SiC, β-SiC, Si και SiO2, ενώ το SEM δείχνει στρώματα γραφίτη καθώς και άμορφο άνθρακα.

Λόγω του υπάρχοντος στρώματος γραφίτη, το RBSC παρουσιάζει χαμηλότερες τιμές k από το πυροσυσσωματωμένο SiC, αλλά υπερτερεί έναντι εκείνων του NSIC. Επιπλέον, υπερέβη σημαντικά τα κεραμικά με βάση το SiO2 όσον αφορά την αντοχή στη διάβρωση, την αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, την αντοχή σε θερμικό σοκ και την ικανότητα απορρόφησης θερμικού σοκ.

Ηλεκτρικές ιδιότητες

Το καρβίδιο πυριτίου συνδεδεμένο με αντίδραση προσφέρει εξαιρετικές ηλεκτρικές ιδιότητες, όπως χαμηλή ειδική αντίσταση και υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Αυτές οι ιδιότητες το καθιστούν εξαιρετική επιλογή υλικού για ηλεκτρικά θερμαντικά στοιχεία. Επιπλέον, η χημική του αδράνεια και η αντοχή του στην οξείδωση το καθιστούν κατάλληλο για θερμοζεύγη κλιβάνων, άκρες καυστήρων, τούβλα ελέγχου και μανδύες σε κλιβάνους- η ανώτερη αντοχή του σε θερμικά σοκ το καθιστούν επίσης κατάλληλο ως έπιπλο σε κλιβάνους.

Το SiC που συνδέεται με αντίδραση μπορεί να δημιουργηθεί μέσω της διαδικασίας ανάμειξης λεπτόκοκκων στενών μιγμάτων sic και άνθρακα με πλαστικοποιητή, στη συνέχεια διαμόρφωσης και καύσης του πλαστικοποιητή πριν από τη διείσδυση με υγρό ή αέριο πυρίτιο. Η αντίδραση αυτή επιτρέπει στο πυρίτιο να συνδεθεί με τον άνθρακα για να παραχθεί περισσότερο καρβίδιο του πυριτίου, το οποίο στη συνέχεια αντιδρά με το αρχικό καρβίδιο του πυριτίου για να σχηματιστεί σύνθετο που αποτελείται από α-SiC, β-SiC και υπολειμματικό Si.

Κατά τη διάρκεια της διήθησης, υποστηρίζεται ότι οι κόκκοι α-SiC και το b-SiC που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης είναι ομοιόμορφα διασκορπισμένα σε όλο το πορώδες προπλάσμα χωρίς συσσωματώματα, γεγονός που πιθανώς αποδίδεται στα τριχοειδή κανάλια που δεν φράσσονται από τα νεοσχηματιζόμενα σωματίδια b-SiC.