Piikarbidin kestävyyden tutkiminen ankarissa ympäristöissä

Piikarbidi on vahva yhdiste, joka muodostuu piin ja hiilen kemiallisesta reaktiosta korkeissa lämpötiloissa ja jonka erittäin kestävä kiderakenne tekee siitä sopivan käytettäväksi vaativissa ympäristöissä.

Piikarbidi vaatii tiukkoja laadunvalvontatoimenpiteitä tuotantoprosessin aikana, jotta varmistetaan sen pitkäikäisyys ankarissa työympäristöissä. Tutkimme, mitkä tekijät vaikuttavat sen pitkäikäisyyteen.

Korroosionkestävyys

SiC on erittäin kova ja tiheä materiaali, joka koostuu piikarbidin kiderakenteen eri muodoista tai monityypeistä, joissa hiiliatomit on järjestetty tetraedrisesti muodostamaan sen kerrokset tai monityypit, jolloin syntyy rakenteita, joissa hiiliatomit ovat järjestäneet tetraedriset sidokset hiiliatomien välille kerroksiksi tai monityypeiksi, jotka luovat sen ainutlaatuiset korroosionkestävät ominaisuudet. Paineeton sintrattu piikarbidi (C/C-SiC) kestää kaikkia happoja (suolahappoa ja rikkihappoa), emäksisiä liuottimia ja hapettavia ympäristöjä, kuten typpihappoa, ja on samalla niin korroosionkestävä, että C/C-SiC:stä valmistettuja kiinteitä upokkaita käytetään usein uunien vuoraussovelluksissa.

SiC-materiaalien korroosio voi olla erittäin monimutkaista ja riippua useista tekijöistä. Materiaalien korroosionkestävyys riippuu niiden paksuudesta ja oksidikerroksen syvyydestä, joka kehittyy hapettumisprosessien aikana; lisäksi kemialliset ja fysikaaliset mekanismit, jotka ovat vastuussa kuuluisan parabolisen hapettumisnopeuden aikaansaamisesta, tunnetaan edelleen puutteellisesti.

Pitkäaikaiset korroosiokokeet ovat välttämättömiä, jotta voidaan arvioida syövyttävien ympäristöjen vaikutusta materiaalin lujuuteen. Pitkäaikainen korroosio voi lisätä pintavikoja, jotka heikentävät materiaalien lujuutta ja kestävyyttä ajan myötä.

Elkem teki laajoja korroosioherkkyysanalyysejä neljästä erityyppisestä SiC:n ja SiC-levyjen liitoksesta, jotka oli liitetty metallin diffuusioliitoksella joko molybdeeni- tai titaanivälikerroksella, reaktiosintrauksella ja SiC-nanojauheen sintrauksella. Kaikki näytteet kestivät viiden viikon hydrotermiset testit kohotetussa lämpötilassa ilman säteilykontaminaatiota viiden viikon hydrotermisten testien aikana kohotetussa lämpötilassa.

Lämpölaajenemiskestävyys

Piikarbidi (SiC) on erittäin kova synteettinen materiaali, joka sijoittuu Mohsin asteikolla alumiinioksidin (keskimäärin 9) ja timantin (keskimäärin 10) väliin. SiC:tä käytetään hioma-aineena ja kulutusta kestävinä osina mekaanisissa sovelluksissa, teollisuusuunien ja keramiikan tulenkestävinä vuorauksina, lentokoneiden polttoainesäiliöiden vuorausten tulenkestävinä pinnoitteina, teollisuuden käyttämien uunien tulenkestävinä vuorauksina ja korkeissa lämpötiloissa toimivissa puolijohde-elektroniikan laitteissa.

Piikarbidi on merkittävä termomekaaninen keraaminen materiaali, jolla on alhainen lämpölaajenemiskerroin, minkä ansiosta se pystyy säilyttämään muotonsa ja kokonsa nopeissa lämpötilan vaihteluissa ja tekemään äärimmäisissä ympäristöissä toimivista tuotteista luotettavampia.

Piikarbidilla on poikkeukselliset mekaaniset ominaisuudet ja hyvä lämmönjohtavuus laajalla käyttölämpötila-alueella, ja se kestää hyvin korroosiota ja kemiallisia hyökkäyksiä, joten se soveltuu vaativiin ympäristöihin esimerkiksi autoteollisuudessa, ilmailu- ja avaruusteollisuudessa sekä elektroniikassa.

Tässä kirjassa esitellään sekä irto- että ohutkalvopohjaiseen piikarbidiin (SiC) perustuvaa mikrojärjestelmäteknologiaa, joka kattaa sen nousun merkittäväksi alustaksi vaativissa ympäristöissä käytettävien mikrojärjestelmien kannalta yhdistämällä elektronisten laitteiden valmistuksen mekaanisiin MEMS-laitteisiin. Tässä kirjassa tutkitaan myös vaikeuksia, joita liittyy eri prosessien ja materiaalien yhdistämiseen käyttökelpoisiksi anturimoduuleiksi; erityisesti komponenttien välistä lämpötilojen epäsuhtaa ja SiC:n ympäristöherkkyyttä tutkitaan laajasti, ja samalla käsitellään laajasti sekä irtotavarana käytettävän SiC-teknologian että SiC-ohutkalvoteknologian nykytilannetta.

Kulutuskestävyys

Volframikarbidi (WC) on tärkeä ja monipuolinen metalliseos, jota käytetään useissa eri sovelluksissa ja jolla on äärimmäinen kovuus, korkea johtavuus, alhainen lämpölaajeneminen ja korroosionkestävyys. Volframikarbidia syntyy, kun puhdasta volframijauhetta sekoitetaan muihin metalleihin, kuten hiileen, nikkeliin tai kobolttiin, sintrausprosessin avulla; sen jälkeen se muokataan erityisiin käyttötarkoituksiin tarkoitetuiksi muodoiksi puristamalla ja takomalla, yleisimmin leikkaustyökaluiksi. Volframin äärimmäinen kestävyys ulottuu paljon pidemmälle kuin muiden leikkaustyökaluissa käytettävien metallien; lisäksi sotilasyksiköt käyttävät sitä usein hyökkäystaktiikassa, jota kutsutaan kineettiseksi pommitukseksi, jossa suoraan vihollista vastaan ammuttuja luoteja käytetään panssarisuojan läpäisemiseen ja vihollisen puolustuksen läpäisemiseen.

Volframikarbidia (WC) käytetään laajalti tarkkuustekniikassa, koska se kestää hyvin korkeita nopeuksia ja paineita ja sillä on kaikista metalleista korkein Youngin moduuli, kovin pinta, alhaisin lämpölaajenemisnopeus ja paras kulumiskestävyys. Lisäksi WC:n sitkeys mahdollistaa sen muokkaamisen tangoiksi tai puristamisen langaksi, kuten hehkulampuissa.

Volframikarbidi on tunnetusti haurasta ja altis halkeilemaan tai murtumaan kovien iskujen vaikutuksesta, joten se on alttiimpi iskuille kuin jalometallit, kuten kulta ja platina. Silti sitä käytetään edelleen suosiolla sotilaallisissa sovelluksissa, joissa iskunkestävyys on elintärkeää, kuten NCSU:n kraatteritestilaitoksessa, jossa käytetään volframikarbidista valmistettuja puskurikiekkoja vaimentamaan ammusten iskuja.

Sähkönjohtavuus

Piikarbidin ainutlaatuinen yhdistelmä keraamisia ja puolijohdeominaisuuksia tekee siitä erittäin mukautuvan materiaalin, joka soveltuu teollisuuden ja elektroniikan käyttöön. Näiden ominaisuuksien ansiosta piikarbidielektroniikka voi toimia jopa ankarissa ympäristöissä, joissa on korkeita lämpötiloja ja jännitetasoja, jotka tavallisesti estävät muuta elektroniikkaa toimimasta kunnolla.

Kemiallisesti piikarbidi on uskomattoman vakaa materiaali. Se kestää useimpia happoja (suolahappoa, rikkihappoa ja fluorivetyhappoa), suoloja ja emäksiä lukuun ottamatta väkevää rikkihappoa; lisäksi se ei reagoi veden kanssa, mikä tekee siitä ihanteellisen materiaalivalinnan komponentteihin, jotka vaativat pitkäaikaista altistumista nesteille.

Piikarbidi tarjoaa atomirakenteensa ansiosta erinomaiset sähköiset ominaisuudet. Se kiteytyy tiiviiksi rakenteiksi, jotka sisältävät kovalenttisesti sidottuja hiili- ja piikerroksia. Nämä kerrokset voidaan järjestää erilaisiin kokoonpanoihin, joita kutsutaan polytyypeiksi; kukin polytyyppi eroaa toisistaan oman pinoamisjärjestyksensä perusteella, jolloin syntyy erilaisia kiderakenteita, joilla on ainutlaatuiset ominaisuudet.

Piikarbidin monien ominaisuuksien ansiosta se on teknologisten innovaatioiden eturintamassa. Sen hyödyntäminen äärimmäisissä ja suorituskykyisissä teknisissä sovelluksissa, kuten pumppujen laakereissa, venttiileissä, hiekkapuhallusruiskuissa ja puristusmuotissa, sekä äärimmäisissä olosuhteissa toimivien puolijohdekomponenttien valmistuksessa voi johtaa merkittäviin parannuksiin eri teollisuudenaloilla.