Ränikarbiidi vastupidavuse uurimine rasketes tingimustes

Ränikarbiid on tugev ühend, mis tekib räni ja süsiniku vahelise kõrgtemperatuurilise keemilise reaktsiooni tulemusel ning millel on äärmiselt vastupidav kristallstruktuur, mis muudab selle sobivaks kasutamiseks rasketes tingimustes.

Ränikarbiidi tootmisprotsessis on vaja rakendada rangeid kvaliteedikontrolle, et tagada selle pikaealisus rasketes töötingimustes. Uurime, millised tegurid mõjutavad selle pikaealisust.

Korrosioonikindlus

SiC on äärmiselt kõva ja tihe materjal, mis koosneb ränikarbiidi kristallstruktuuri erinevatest vormidest ehk polüüpidest, kus süsiniku aatomid on paigutatud tetraeedriliselt, moodustades kihid ehk polüüpe. Selle tulemusena tekivad struktuurid, kus süsiniku aatomid on ühendatud tetraeedriliste sidemetega ning paigutatud kihtidena ehk polüüpidena, mis annavad materjalile selle ainulaadsed korrosioonikindlad omadused. Surveta paagutatud ränikarbiid (C/C-SiC) on vastupidav kõikidele hapetele (sool- ja väävelhappele), alustele, lahustitele ja oksüdeerivatele keskkondadele, nagu lämmastikhape, säilitades samas piisava korrosioonikindluse, mistõttu C/C-SiC-st valmistatud tahkeid tiigleid kasutatakse sageli ahjude vooderdusmaterjalina.

SiC-materjalide korrosioon võib olla äärmiselt keeruline, sõltudes mitmest tegurist. Materjalide korrosioonikindlus sõltub nende paksusest ja oksüdatsiooniprotsesside käigus tekkiva oksiidikihi sügavusest; lisaks sellele ei ole veel täielikult selge, millised keemilised ja füüsikalised mehhanismid põhjustavad seda kuulsat paraboolset oksüdatsioonikiirust.

Pikaajalised korrosioonikatsed on vajalikud, et hinnata korrosiivse keskkonna mõju materjali tugevusele. Pikaajaline korrosioon võib suurendada pinnavead, mis aja jooksul vähendavad materjalide tugevust ja vastupidavust.

Elkem viis läbi põhjalikud korrosioonitundlikkuse analüüsid nelja tüüpi SiC-SiC-plaatide ühenduste puhul, mis olid ühendatud kas molübdeeni või titaani vahekihiga metallide difusioonliitmise teel, reaktsioonpaagutamise teel või SiC-nanopulbri paagutamise teel. Kõik proovid läbisid viienädalase hüdrotermilise katse kõrgendatud temperatuuril, ilma et need oleksid kiirguse mõjul saastunud.

Termilise paisumise takistus

Ränikarbiid (SiC) on äärmiselt kõva sünteetiline materjal, mis asub Mohsi skaalal kuskil alumiiniumoksiidi (9) ja teemanti (keskmiselt 10) vahel. SiC-d kasutatakse abrasiivina ja kulumiskindlate osadena mehaanilistes rakendustes; tööstusahjude ja keraamika tulekindlate vooderdustena; lennukite kütusepaakide tulekindlate katetena; tööstuses kasutatavate ahjude tulekindlate vooderdustena; ning kõrgel temperatuuril töötavates pooljuhtelektroonikaseadmetes.

Ränikarbiid on silmapaistev termomehaaniline keraamiline materjal, millel on madal soojuspaisumistegur, mis võimaldab tal säilitada oma kuju ja mõõtmed kiirete temperatuurikõikumiste korral ning muuta äärmuslikes tingimustes töötavad tooted usaldusväärsemaks.

Ränikarbiidil on erakordsed mehaanilised omadused ja suurepärane soojusjuhtivus laias töötemperatuuri vahemikus; lisaks on see väga vastupidav korrosioonile ja keemilistele mõjudele, mistõttu sobib see kasutamiseks rasketes tingimustes sellistes tööstusharudes nagu autotööstus, lennundus ja elektroonika.

Käesolev raamat tutvustab nii tahke kui ka õhukese kile kujul ränikarbiidil (SiC) põhinevat mikrosüsteemitehnoloogiat, käsitledes selle tõusu oluliseks platvormiks rasketes tingimustes töötavate mikrosüsteemide jaoks, kus ühendatakse elektrooniliste seadmete tootmine mehaaniliste MEMS-seadmetega. Raamatus uuritakse ka erinevate protsesside ja materjalide kombineerimisel kasutatavateks andurimooduliteks tekkivaid raskusi; eriti põhjalikult käsitletakse komponentide vahelist temperatuuri mittevastavust ning SiC keskkonnatundlikkust, samal ajal kui põhjalikult käsitletakse nii tahke SiC-materjali kui ka SiC-õhukese kile tehnoloogia viimaseid arenguid.

Kulumiskindlus

Volframkarbiid (WC) on oluline ja mitmekülgne sulam, mida kasutatakse paljudes valdkondades ning millele on iseloomulik äärmine kõvadus, kõrge elektrijuhtivus, madal soojuspaisumine ja korrosioonikindlus. Volframkarbiid tekib, kui puhas volframipulber segatakse teiste metallidega, nagu süsinik, nikkel või koobalt, protsessi abil, mida nimetatakse paagutamiseks; seejärel vormitakse see pressimise ja sepistamise teel konkreetseteks otstarveteks, kõige sagedamini lõikeriistadeks. Volframi äärmine vastupidavus ületab kaugelt teiste lõikeriistades kasutatavate metallide omad; lisaks kasutatakse seda sageli sõjaväeüksustes, kes rakendavad rünnakutaktikat, mida nimetatakse kineetiliseks pommitamiseks, kus vaenlase suunas tulistatud kuulid läbistavad soomuse ja tungivad vaenlase kaitseliinidesse.

Volframkarbiidi (WC) kasutatakse laialdaselt täppistehnoloogias, kuna see talub väga suuri kiirusi ja rõhke ning omab kõigist metallidest kõrgeimat Youngi moodulit, kõige kõvemat pinda, madalaimat soojuspaisumist ja parimat kulumiskindlust. Lisaks võimaldab volframkarbiidi väga hea plastilisus seda vormida varrasteks või ekstrudeerida traadiks, mida kasutatakse näiteks hõõglampides.

Volframkarbiid on tuntud oma hapruse poolest ning kalduvusega praguneda või puruneda tugevate löökide korral, mistõttu on see löökidele tundlikum kui väärismetallid, nagu kuld ja plaatina. Siiski kasutatakse seda endiselt laialdaselt sõjalistes rakendustes, kus löögikindlus on eluliselt tähtis, näiteks NCSU kraatrikatsetuskeskuses, kus kasutatakse volframkarbiidist valmistatud puhverkettasid, et neelata lendavate esemete lööke.

Elektrijuhtivus

Ränikarbiidi keraamiliste ja pooljuhtomaduste ainulaadne kombinatsioon teeb sellest väga mitmekülgse materjali, mis sobib kasutamiseks nii tööstuses kui ka elektroonikas. Nende omaduste tõttu suudab ränikarbiidist valmistatud elektroonika töötada isegi rasketes tingimustes, kus valitsevad kõrged temperatuurid ja pingetasemed, mis tavaliselt takistaksid muude elektroonikaseadmete nõuetekohast toimimist.

Keemiliselt vaadatuna on ränikarbiid äärmiselt stabiilne materjal. See on vastupidav enamiku hapete (soolhape, väävelhape ja fluorvesinikhape), soolade ja leeliste suhtes, välja arvatud kontsentreeritud väävelhape; lisaks sellele ei reageeri see veega, mistõttu on see ideaalne materjalivalik komponentidele, mis peavad olema pikka aega vedelikuga kokkupuutes.

Ränikarbiidil on tänu oma aatomistruktuurile suurepärased elektrilised omadused. See kristalliseerub tihedalt pakitud struktuurideks, mis sisaldavad kovalentselt seotud süsiniku- ja ränikihtide. Need kihid võivad paigutuda erinevatesse konfiguratsioonidesse, mida nimetatakse polüüpideks; iga polüüp eristub oma kihistumisjärjekorra poolest, mille tulemusena tekivad erinevad kristallstruktuurid, millest igaühel on omad unikaalsed omadused.

Ränikarbiidi mitmekülgsed omadused asetavad selle tehnoloogilise innovatsiooni esirinda. Selle kasutamine äärmuslikes ja kõrge jõudlusega tehnilistes rakendustes, nagu näiteks pumbalaagrid, klapid, liivapuhumise pihustid ja ekstrusioonimatritsid, samuti äärmuslikes tingimustes töötavate pooljuhtseadmete tootmisel, võib tuua kaasa märkimisväärseid edusamme paljudes tööstusharudes.