A szilíciumkarbid az egyik legkeményebb és legtartósabb fejlett kerámiaanyag, amelyet keménysége miatt csiszolóanyagként, hőállósága és alacsony hőtágulási együtthatója miatt tűzálló és kerámia alkalmazásokban egyaránt használnak.
A moissanit a természetben is előfordulhat, mint az átlátszó ásvány, a moissanit. Az első mesterségesen szintetizált mintákat 1891-ben hozták létre Edward Acheson mesterséges gyémánt létrehozására tett kísérlete során; később a Nobel-díjas kémikus, Henri Moissan több mintát szintetizált mesterségesen.
Magas hőmérsékleti szilárdság
A szilíciumkarbid (SiC) egy rendkívül erős, nem oxidkerámia, amely kivételes ellenállást biztosít a korrózióval és a vegyi támadásokkal szemben magas hőmérsékleten. A SiC-t tűzálló bélésanyagként használják ipari kemencékben tűzálló bélésanyagként; csiszolókorongokban; vágószerszámokban; és olyan alkalmazásokban, ahol a szilárdság elengedhetetlen, mint például csiszolókorongok, vágószerszámok és megmunkálási alkalmazások. A SiC-összetevők továbbá az ellenállás-fűtőelemek, az elektromos kemencék termisztorai, valamint a SiC-t tartalmazó béléscsövek és tömítőfelületek kulcsfontosságú részei.
A SiC kiváló hőállóságáról és magas hőmérsékleten való szilárdságáról ismert, ezért az ipari alkalmazásokban nagyra értékelik. A SiC 1000 °C-ig terjedő hőmérsékleten ellenáll az oxidációnak azáltal, hogy oxidvédő réteget hoz létre, amely gátként hat a felülete és az azt körülvevő elemek között; magasabb hőmérsékleten azonban repedések hatolhatnak át ezen a gáton, és a kristályok közötti vagy szemcsés régiókon keresztül energiát oszlatnak el, ami nehézségeket okoz a szilárdság növelésében magas hőmérsékleten.
A szilíciumkarbidot két különböző eljárással lehet előállítani: reakciókötéssel és szintereléssel. Mindkét forma jelentősen befolyásolja a mikroszerkezetet, így a magas hőmérsékleten nyújtott teljesítményt. A reakciókötés során a SiC és a szén keverékéből álló zöld tömör anyagokat folyékony szilíciummal infiltrálják; ez olyan szerkezeteket hoz létre, amelyek a feldolgozás során minimálisan változnak a méretek, és nagy felületűek. A tűzálló mag-héj mikroszerkezet egyedülálló tulajdonságokat biztosít, amelyek bizonyítottan növelik a SiC szilárdságát magas hőmérsékleten.
Magas hőmérsékleti ellenállás
A szilíciumkarbid figyelemre méltó szilárdsága miatt kiváló anyagválasztás magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz, például a fogyasztói autók kerámia fékbetéteihez. Az anyag akár 1400 fokos hőmérsékletet is képes elviselni, miközben megőrzi kivételes szilárdságát és keménységét, ami a szilíciumkarbidot ideális anyaggá teszi.
A szilíciumkarbid abban különbözik más kerámiaanyagoktól, hogy nem bomlik vagy olvad meg magas hőmérsékleten, így alkalmas nagy igénybevételnek kitett, terhelésnek kitett alkalmazásokban, például csapágyakban és golyóálló lemezekben való felhasználásra anélkül, hogy maradandó szerkezeti károsodást szenvedne. Ez teszi a szilíciumkarbidot különösen alkalmassá a nagy terheléssel járó alkalmazásokhoz, mint például a csapágyak és a golyóálló lemezek.
A szilíciumkarbid a természetben a rendkívül ritka ásvány, a moissanit formájában fordul elő, míg a szintetikus sic-gyártás megfelel a modern honvédelmi, atomenergetikai, űrtechnológiai és űrkutatási iparágak pontos méreteket igénylő igényeinek.
A szinterezett szilíciumkarbid a műszaki kerámiák közül az egyik legnagyobb hővezető képességgel büszkélkedhet, a második az alumínium-nitrid után. Ez a rácsos oxigénszerkezetének tulajdonítható, amely a fononok nagymértékű szórását eredményezi. Bár a hővezető képessége tovább növelhető a szinterelési folyamatokban alkalmazott oxidadalékokkal, ezeket a szerkezeti stabilitás és az anyag oxidációval szembeni ellenállás megőrzése érdekében a lehető legalacsonyabb szinten kell tartani.
Alacsony hőtágulási együttható
A szilícium-karbid alacsony hőtágulási együtthatója miatt tökéletes anyag kerámia mátrixú kompozitként (CMC) kemény körülmények között történő felhasználásra, így szívesen alkalmazzák olyan alkalmazásokban, mint a gázturbinák és rakétafúvókák, ahol az anyagoknak magas hőmérsékletet és termikus sokkhatást kell elviselniük.
A korrózióval szembeni ellenállás miatt a rozsdamentes acél kiváló anyagválasztás a vegyipari kemencebélésekhez, ahol ellenáll a szélsőséges hőmérsékleteknek, miközben megőrzi szerkezeti integritását. A rozsdamentes acél továbbá nagy kémiai stabilitást biztosít, amely lehetővé teszi a hosszú ideig tartó működést ellenséges folyékony környezetben, például savas és lúgos oldatokban.
A szilíciumkarbid legelterjedtebb polimorfja, az alfa-forma 1700 °C feletti hőmérsékleten található, wurtzit kristályszerkezettel és 1700 °C feletti olvadáspontokkal. Létezhet azonban ritkább béta forma is, amelynek cinkblende kristályszerkezete a gyémántéhoz hasonló, olvadáspontja pedig alacsonyabb, 1030 °C - ez a ritkább forma heterogén katalizátorok hordozójaként szolgálhat.
A szilícium-karbid porózus és sűrű kerámia formájában egyaránt megtalálható. Az előállítási technikák széles skálán mozognak, a végső mikroszerkezet az alkalmazott gyártási módszertől függ. A reakciókötésű SiC-t úgy állítják elő, hogy a szén-SiC keverékből álló tömördarabokat olvasztott szilíciummal infiltrálják, amely egymással reakcióba lépve további SiC-t képez, és így a kezdeti tömördarabot összeköti; a szinterezett SiC-t, mint például a Hexoloy-t, hagyományos kerámiaformázási eljárásokkal alakítják ki, mielőtt magas hőmérsékleten, inert atmoszférában szinterezik.
Nagy keménység
A szilíciumkarbid keménysége a Mohs-skálán eléri a 9,5-ös értéket, ezzel a harmadik helyen áll a gyémánt és a bór-nitrid mögött. Ez teszi alkalmassá a vágószerszámok és a koptatóanyagok, valamint a magas hőmérsékletű kopásálló alkatrészek, például csapágyak és tömítések gyártására a gépipari alkalmazásokban.
A szilíciumkarbid stabil kémiai tulajdonságainak, kiváló hővezető képességének, alacsony hőtágulási együtthatójának, keménységének és mechanikai szilárdságának egyedülálló kombinációja miatt széles körben alkalmazzák számos iparágban, többek között a kőolajiparban, a vegyiparban, a mikroelektronikában, az autóiparban, a repülőgépiparban, a papírgyártásban és a lézerbányászatban. Ezenkívül a szilíciumkarbid a környezetvédelmi információs elektronikában és az energiafelhasználási alkalmazásokban is felhasználásra kerül.
A szilíciumkarbid (SiC) két eljárással, reakciókötéssel és szinterezéssel állítható elő, amelyek mindkettő befolyásolja a végső mikroszerkezetet. A reakciókötésű SiC-t jellemzően szilícium és szén keverékéből álló tömörítmények folyékony szilíciummal való beszivárgásával hozzák létre, amely aztán más szilícium-szén molekulákkal reagálva további SiC kötéseket hoz létre, míg a szinterezett SiC-t hagyományos kerámiaformázási technikákkal és nem oxidos szinterelési segédanyagokkal állítják elő.
A szilíciumkarbid kiváló megmunkálhatósága miatt kiváló anyag kopásálló tömítőelemek gyártására, különösen grafittal kombinálva. Ez a kombináció alacsonyabb súrlódási együtthatót kínál, mint az alumínium-oxid-kerámia és a kemény ötvözetek, és magas PV-értékek mellett is megőrzi alakját, így megakadályozza a vegyi anyagok, például lúgok és savak környezetbe szivárgását.