Συσσωματωμένο καρβίδιο πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα αναντικατάστατο δομικό κεραμικό υλικό λόγω της εξαιρετικής αντοχής του σε υψηλές θερμοκρασίες και της ανθεκτικότητας στην οξείδωση, καθιστώντας το απαραίτητο στους τομείς της μηχανικής παραγωγής, της αεροδιαστημικής τεχνολογίας και των ηλεκτρονικών πληροφοριών.

Η πυροσυσσωμάτωση με αντίδραση προσφέρει χαμηλές θερμοκρασίες και σύντομους χρόνους πυροσυσσωμάτωσης, ενώ παράγει σχήματα σχεδόν καθαρού μεγέθους, αλλά περιορίζεται από την ανομοιόμορφη κατανομή της πυκνότητας, τη ρηγμάτωση των πυροσυσσωματωμένων προϊόντων και την ανεπαρκή διείσδυση του πυριτίου κατά τη διάρκεια των διαδικασιών πυροσυσσωμάτωσης.

Αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα εξαιρετικά σκληρό και ανθεκτικό κεραμικό υλικό που φημίζεται για την ανώτερη αντοχή του σε υψηλές θερμοκρασίες, την αντοχή στη φθορά και τις ιδιότητες αντίστασης στη χημική οξείδωση. Λόγω αυτών των χαρακτηριστικών, το καρβίδιο του πυριτίου βρίσκει χρήση σε πολυάριθμες βιομηχανικές εφαρμογές, όπως πυρηνικά εργοστάσια, φούρνους, κινητήρες αεριωθούμενων αεροσκαφών, ακροφύσια πυραύλων και χαρτοποιία.

Ένας τρόπος βελτίωσης των μηχανικών ιδιοτήτων του καρβιδίου του πυριτίου σε υψηλές θερμοκρασίες είναι η προσθήκη προσθέτων όπως το αλουμίνιο, το βόριο και ο άνθρακας (SiC-ABC) που ενισχύουν την αντοχή σε ερπυσμό. Αυτά τα πρόσθετα μεταβάλλουν τις ενέργειες των ορίων των κόκκων και τις επιφανειακές ενέργειες, ενώ αυξάνουν τους ρυθμούς διάχυσης όγκου και αποθαρρύνουν το σχηματισμό γυαλιού στα όρια των κόκκων.

Ένας άλλος τρόπος για την αύξηση των μηχανικών ιδιοτήτων είναι η πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση, η οποία περιλαμβάνει την πυροσυσσωμάτωση των συμπαγών υλικών σε σκόνη SiC χωρίς την εφαρμογή εξωτερικής πίεσης. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου έγκειται στην εξάλειψη των διακυμάνσεων της πυκνότητας που προκαλούνται από τις παραδοσιακές μεθόδους πυροσυσσωμάτωσης με θερμή πίεση, οι οποίες έχουν ως αποτέλεσμα σημαντικές αλλαγές στις διαστάσεις και μειωμένη ποιότητα του προϊόντος - δημιουργεί επίσης πυκνότητες πιο κοντά στις θεωρητικές τιμές από ποτέ άλλοτε.

Αντοχή στη διάβρωση σε υψηλή θερμοκρασία

Το καρβίδιο του πυριτίου παρουσιάζει εξαιρετική αντοχή στη χημική διάβρωση σε ένα ευρύ φάσμα περιβαλλόντων έως 1700 βαθμούς Κελσίου, όπως ξηρό οξυγόνο, καυτοί αέριοι ατμοί και υγρά άλατα και μέταλλα, καθώς και λιωμένα άλατα και σκωρίες τέφρας άνθρακα.

Το καρβίδιο του πυριτίου σε πυροσυσσωμάτωση προσφέρει εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση λόγω της δομής και της ποιότητας της επιφάνειάς του. Το υλικό αυτό διαθέτει ισχυρή αντοχή στη διάβρωση (ολίσθηση), στη μηχανική αντοχή, στο θερμικό σοκ και στη φθορά.

Το υλικό καρβιδίου του πυριτίου XICAR (κοινώς αναφερόμενο ως εναλλακτικό Hexoloy SE) που έχει πυροσυσσωματωθεί σε υψηλές θερμοκρασίες έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα ανθεκτικό στη χημική διάβρωση σε όξινα περιβάλλοντα όπως το πυκνό HCl και το HNO3, με τα δείγματα που έχουν υποστεί επεξεργασία με Y2O3 να έχουν μεγαλύτερη αντοχή από εκείνα που χρησιμοποιούν βοήθημα πυροσυσσωμάτωσης MgO.

Το συμπυκνωμένο καρβίδιο του πυριτίου που συνδέεται με αντίδραση, το οποίο συνήθως αναφέρεται ως αυτοσυνδεόμενο καρβίδιο του πυριτίου, παράγεται με την αντίδραση ενός πορώδους κεραμικού σώματος που περιέχει άνθρακα με υγρό πυρίτιο. Το μείγμα αυτό διεισδύει στο κεραμικό σώμα, αντιδρά με γραφίτη για να σχηματίσει b-SiC και στη συνέχεια συνδυάζεται με τα υπάρχοντα σωματίδια a-SiC για να σχηματίσει καρβίδιο πυριτίου καρβιδίου πυροσυσσωματωμένου με αντίδραση πλήρους πυκνότητας με διάφορα σχήματα διαθέσιμα μέσω αυτής της διαδικασίας.

Υψηλή αντοχή

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα από τα ισχυρότερα κεραμικά υλικά. Διαθέτοντας ανώτερη αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και αντίσταση στην οξείδωση, το καρβίδιο του πυριτίου αποτελεί εξαιρετική επιλογή υλικού για χρήση σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές.

Τα κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου μπορούν συνήθως να κατασκευαστούν είτε μέσω διεργασιών παραγωγής χωρίς πίεση με πυροσυσσωμάτωση είτε με συγκόλληση με αντίδραση, και η Saint-Gobain Performance Ceramics & Refractories προσφέρει και τους δύο τύπους για να καλύψει ένα εύρος εφαρμογών τελικής χρήσης.

Το πυροσυσσωματωμένο καρβίδιο του πυριτίου χωρίς πίεση παράγεται συνδυάζοντας λεπτή σκόνη SiC με βοηθήματα πυροσυσσωμάτωσης που δεν περιέχουν οξείδια και πυροσυσσωματώνοντάς το σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 2000degC σε αδρανή ατμόσφαιρα, παράγοντας υλικό υψηλής πυκνότητας με ανώτερη αντοχή στην οξείδωση, αντοχή στη διάβρωση και μηχανικές ιδιότητες.

Η πυροσυσσωμάτωση με αντίδραση είναι μια αναδυόμενη διαδικασία για την παραγωγή κεραμικών καρβιδίου του πυριτίου (SiC), η οποία προσφέρει πλεονεκτήματα όπως πυκνές δομές, χαμηλότερες θερμοκρασίες επεξεργασίας, δυνατότητα μορφοποίησης, χαμηλό κόστος και υψηλότερη καθαρότητα. Δυστυχώς, ωστόσο, η αντοχή σε κάμψη υπολείπεται κατά πολύ του τυπικού πυροσυσσωματωμένου SiC λόγω των υπολειμματικών μεγεθών άνθρακα (Si) στη μικροδομή του.

Υψηλή ανθεκτικότητα

Τα κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου που έχουν υποστεί πυροσυσσωμάτωση συγκαταλέγονται μεταξύ των σκληρότερων και ισχυρότερων κεραμικών υλικών, ενώ εξακολουθούν να παραμένουν ισχυρά σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες - γεγονός που τα καθιστά εξαιρετική επιλογή για εφαρμογές όπου η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες είναι καθοριστικής σημασίας.

Το SSIC παρουσιάζει σχεδόν σταθερή αντοχή σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και διατηρεί την ανθεκτικότητά του ακόμη και υπό έντονη πίεση, καθιστώντας το ιδιαίτερα δημοφιλές υλικό για εξαρτήματα αντλιών υψηλής απόδοσης και άλλα βασικά εξαρτήματα εξοπλισμού.

Τα SSIC παράγονται με συμβατικές τεχνικές κεραμικής μορφοποίησης. Αφού διαμορφωθούν στα επιθυμητά σχήματα, τα SSIC συσσωματώνονται υπό υψηλή θερμοκρασία και πίεση σε ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου.

Η πυροσυσσωμάτωση μπορεί να διαιρεθεί σε δύο διακριτές φάσεις, την πυροσυσσωμάτωση στερεάς φάσης και την πυροσυσσωμάτωση υγρής φάσης. Η πυροσυσσωμάτωση στερεάς φάσης απαιτεί την προσθήκη C και B ως βοηθητικών μέσων πυροσυσσωμάτωσης για τη μείωση της ενέργειας των ορίων των κόκκων των κεραμικών SiC, ενώ η υγρή φάση χρησιμοποιεί ένα ή περισσότερα ευτηκτικά οξείδια στοιχείων (όπως Y2O3) ως μέσο, δημιουργώντας μια ηλεκτρολυτική φάση με κίνηση, διάχυση και μεταφορά μάζας μεταξύ των σωματιδίων πυριτίας για τη συμπύκνωση της πυκνότητας του υλικού.