Yleiskatsaus piikarbidikeraamisista materiaaleista

Piikarbidi on yksi kovimmista ja kestävimmistä kehittyneistä keraamisista materiaaleista, jota käytetään sekä kovuutensa vuoksi hiomamateriaalina että lämmönkestävyytensä ja alhaisen lämpölaajenemiskertoimensa vuoksi tulenkestävissä ja keraamisissa sovelluksissa.

Moissaniittia voi esiintyä myös luonnossa läpinäkyvänä mineraalina. Ensimmäiset keinotekoisesti syntetisoidut näytteet luotiin vuonna 1891 Edward Achesonin yrittäessä luoda keinotekoisia timantteja; myöhemmin Nobel-palkittu kemisti Henri Moissan syntetisoi keinotekoisesti lisää näytteitä.

Korkean lämpötilan lujuus

Piikarbidi (SiC) on erittäin luja oksiditon keraaminen aine, joka kestää poikkeuksellisen hyvin korroosiota ja kemiallisia hyökkäyksiä korkeissa lämpötiloissa. SiC:tä käytetään tulenkestävänä vuorausmateriaalina teollisuusuuneissa tulenkestävänä vuorausmateriaalina, hiomalaikoissa, leikkuutyökaluissa ja sovelluksissa, joissa lujuus on tärkeää, kuten hiomalaikoissa, leikkuutyökaluissa ja koneistussovelluksissa. Lisäksi SiC-komponentit ovat keskeisiä osia vastuslämmityselementeissä, sähköuunien termistoreissa sekä SiC:tä sisältävissä vuorauksissa ja tiivistepinnoissa.

SiC tunnetaan erinomaisesta lämmönkestävyydestään ja lujuudestaan korkeissa lämpötiloissa, minkä vuoksi sitä arvostetaan suuresti teollisissa sovelluksissa. SiC kestää hapettumista jopa 1000 celsiusasteen lämpötiloissa luomalla oksidisuojakerroksen, joka toimii kuin esteenä sen pintojen ja niitä ympäröivien elementtien välillä. Korkeammissa lämpötiloissa halkeamat voivat kuitenkin tunkeutua tämän esteen läpi ja haihduttaa energiaa kiteiden tai rakeiden välisten alueiden kautta, jolloin lujuuden kasvattaminen korkeissa lämpötiloissa on vaikeaa.

Piikarbidia voidaan valmistaa kahdella eri menetelmällä: reaktiosidonnalla ja sintratulla menetelmällä. Molemmat muodot vaikuttavat merkittävästi sen mikrorakenteeseen ja siten suorituskykyyn korkeissa lämpötiloissa. Reaktiosidonta tarkoittaa, että SiC:n ja hiilen seoksista koostuvat vihreät tiivisteet infiltroidaan nestemäisellä piillä; näin luodaan rakenteita, joiden mitat muuttuvat mahdollisimman vähän käsittelyn aikana ja joiden pinta-ala on suuri. Tulenkestävä ydin-kuori-mikrorakenne tarjoaa ainutlaatuisia ominaisuuksia, joiden on osoitettu lisäävän SiC:n lujuutta korkeissa lämpötiloissa.

Korkean lämpötilan kestävyys

Piikarbidin huomattava lujuus tekee siitä erinomaisen materiaalivalinnan korkean lämpötilan sovelluksiin, kuten kuluttajien autojen keraamisiin jarrupaloihin. Materiaali kestää jopa 1400 asteen lämpötiloja säilyttäen silti poikkeuksellisen lujuutensa ja kovuutensa, mikä tekee piikarbidista ihanteellisen materiaalin.

Piikarbidi erottuu muista keraamisista materiaaleista siten, että se ei hajoa tai sula korkeissa lämpötiloissa, minkä vuoksi se soveltuu käytettäväksi suurten rasitusten ja kuormitusten alaisissa sovelluksissa, kuten laakereissa ja luodinkestävissä levyissä, ilman että se aiheuttaa pysyviä rakenteellisia vaurioita. Tämän vuoksi piikarbidi soveltuu erityisen hyvin sovelluksiin, joihin liittyy suuria kuormituksia, kuten laakereihin ja luodinkestäviin levyihin.

Piikarbidia esiintyy luonnossa äärimmäisen harvinaisena mineraalina moissanite, kun taas synteettinen piikarbidin tuotanto vastaa nykyaikaisen maanpuolustuksen, ydinenergian, avaruusteknologian ja ilmailu- ja avaruusteollisuuden vaatimuksiin, jotka edellyttävät tarkkoja mittoja.

Sintratulla piikarbidilla on yksi teknisten keraamisten materiaalien korkeimmista lämmönjohtavuuksista, toiseksi korkein alumiininitridin jälkeen. Tämä johtuu sen hilarakenteisesta happirakenteesta, joka aiheuttaa suurta fononien sirontaa. Lämmönjohtavuutta voidaan lisätä edelleen käyttämällä sintrausprosesseissa oksidilisäaineita, mutta ne olisi pidettävä mahdollisimman pieninä materiaalin rakenteellisen vakauden ja hapettumiskestävyyden säilyttämiseksi.

Alhainen lämpölaajenemiskerroin

Piikarbidin alhainen lämpölaajenemiskerroin tekee siitä täydellisen materiaalin käytettäväksi keraamisina matriisikomposiitteina (CMC) ankarissa olosuhteissa, minkä vuoksi sitä käytetään yleisesti sovelluksissa, kuten kaasuturbiineissa ja rakettisuuttimissa, joissa materiaalien on kestettävä korkeita lämpötiloja ja lämpöshokkitilanteita.

Korroosionkestävyys tekee ruostumattomasta teräksestä erinomaisen materiaalivalinnan kemianteollisuuden uunien vuorauksiin, joissa se kestää äärimmäisiä lämpötiloja säilyttäen samalla rakenteellisen eheytensä. Lisäksi ruostumaton teräs on kemiallisesti erittäin stabiili, joten se voi toimia pitkään vihamielisissä nestemäisissä ympäristöissä, kuten happo- ja emäksisissä liuoksissa.

Piikarbidin yleisin polymorfi, alfa-muoto, esiintyy yli 1700 celsiusasteen lämpötiloissa, ja sillä on wurtziittinen kiderakenne ja yli 1700 celsiusasteen sulamispisteet. Harvinaisempaa beetamuotoa voi kuitenkin esiintyä myös, sillä sen sinkkiblende-kiderakenne muistuttaa timanttia ja sulamispiste on alhaisempi, 1030 °C. Tämä harvinaisempi muoto voi toimia heterogeenisten katalyyttien tukena.

Piikarbidia esiintyy sekä huokoisena että tiiviinä keramiikkana. Tuotantotekniikat vaihtelevat suuresti, ja lopullinen mikrorakenne riippuu käytetystä tuotantomenetelmästä. Reaktiosidottu SiC valmistetaan infiltroimalla hiili-SiC-seoksen puristeita sulalla piillä, joka reagoi keskenään muodostaen lisää SiC:tä ja sitoen alkuperäisen puristeen; sintrattu SiC, kuten Hexoloy, muodostetaan tavanomaisilla keraamisilla muokkausprosesseilla, ennen kuin se sintrataan korkeissa lämpötiloissa inertissä ilmakehässä.

Korkea kovuus

Piikarbidin kovuus Mohsin asteikolla on jopa 9,5, ja se on siten kolmanneksi kovin timantin ja boorinitridin jälkeen. Tämän vuoksi se soveltuu leikkaustyökaluihin ja hiomamateriaaleihin sekä korkeiden lämpötilojen kulutusta kestävien osien, kuten laakereiden ja tiivisteiden, valmistukseen mekaanisen teollisuuden sovelluksissa.

Piikarbidin ainutlaatuinen yhdistelmä vakaita kemiallisia ominaisuuksia, erinomaista lämmönjohtavuutta, matalaa lämpölaajenemiskerrointa, kovuutta ja mekaanista lujuutta on johtanut siihen, että sitä hyödynnetään laajalti useilla teollisuudenaloilla, kuten öljyteollisuudessa, kemiantekniikassa, mikroelektroniikassa, autoteollisuudessa, ilmailualalla, paperiteollisuudessa, laserkaivosteollisuudessa. Lisäksi piikarbidia käytetään myös ympäristönsuojeluun liittyvässä informaatioelektroniikassa ja energiankäytön sovelluksissa.

Piikarbidia (SiC) voidaan valmistaa kahdella prosessilla, reaktioliimalla ja sintraamalla, jotka molemmat vaikuttavat sen lopulliseen mikrorakenteeseen. Reaktiosidottu SiC valmistetaan tyypillisesti infiltroimalla pii- ja hiiliseoksista koostuvat tiivisteet nestemäisellä piillä, joka sitten reagoi muiden pii-hiilimolekyylien kanssa muodostaen lisää SiC-sidoksia, kun taas sintrattua SiC:tä valmistetaan käyttämällä tavanomaisia keraamisia muottitekniikoita ja oksidittomia sintrauksen apuaineita.

Piikarbidin erinomainen työstettävyys tekee siitä erinomaisen materiaalin kulutusta kestävien tiivisteiden valmistukseen, erityisesti yhdistettynä grafiittiin. Tämä yhdistelmä tarjoaa alhaisemmat kitkakertoimet kuin alumiinioksidikeramiikka ja kovat metalliseokset ja säilyttää muotonsa korkeiden PV-arvojen aikana estääkseen kemikaalien, kuten emästen ja happojen, vuotamisen ympäristöön.