Reakcióhoz kötött szilícium-karbid

A reakciókötésű szilíciumkarbid (RBSC) egy kivételesen kemény és erős kerámiaanyag, amely kiváló mechanikai szilárdsággal, ütésállósággal, kémiai stabilitással és alakíthatósággal rendelkezik, így különböző alkalmazásokhoz alkalmas.

Az RB-SiC a szinterezett szilíciumkarbidhoz képest alacsonyabb keménységű, de könnyebben és olcsóbban gyártható, miközben kiváló hőállósági tulajdonságokkal büszkélkedhet.

Fizikai tulajdonságok

Az RMI-eljárás a-SiC-részecskéket használ, amelyeket porózus szén-előformába (G0) építenek be, majd folyékony szilíciummal infiltrálják, hogy reakciókötésű szilíciumkarbidot hozzanak létre. Sajnos azonban a folyékony szilícium az infiltrációs folyamat miatt a pórusok eltömődhetnek, ezért ebben a tanulmányban többfázisú szenet alkalmaztak e probléma ellenszereként és az RB-SiC mechanikai tulajdonságainak javítására.

A többfázisú szén finom amorf koromból és durva mikrogömb alakú szénből állt. Folyékony szilíciummal való beszivárgáskor a mikrogömb alakú szén elhasználódik, míg az amorf szén ki tud lépni a pórusokból, hogy megakadályozza a pórustöltő reakciók eltömődését - így a P10F90, P20F80 és P30F70 próbatesteken megfigyelve a jellegzetes csúcs nem volt jelen, ami arra utal, hogy a többfázisú szén segített elkerülni ezt a problémát és javította a hajlítószilárdságot, ahogy a beszivárgási hőmérséklet és az áztatási idő nőtt.

Mechanikai tulajdonságok

Az RB szilíciumkarbidot olvasztott szilícium porózus szén- vagy grafit-előformába történő beszivárgásával állítják elő, ahol a szilíciumkarbid a szénnel reakcióba lépve SiC-t képez, és egy kiváló kopás-, ütés- és vegyszerálló kerámiaanyagot hoz létre, amely különböző formákban és méretekben kapható, az egyszerű kúp- és hüvelyformáktól kezdve a bányászati vagy feldolgozóiparban használt nagyobb méretű alkatrészekig.

A kompozit prekurzor összetétele, különösen a PF és FA aránya, befolyásolja a szén és a folyékony szilícium közötti reakció sebességét a magas hőmérsékletű pirolízis során. A többfázisú szén fokozza a folyékony szilícium penetrációját a porózus előformák pórusain keresztül; a gradált szénforrások segítenek a b-SiC és a szabad Si tartalmának szabályozásában.

Az RB szilíciumkarbid hajlítószilárdsága és rugalmassági modulusa jelentősen növelhető a szénforrás gondos osztályozásával, a sima fekete és fehér blokkszemcsés felületek kiküszöbölése miatt, amelyek a hajlítás során szemcsék közötti törést okoznak.

Termikus tulajdonságok

A reakciókötésű szilíciumkarbid kerámiák termikus tulajdonságai a kötés típusától és arányától függenek. A reakciókötéses szilíciumkarbid (RBSC), fémes szilíciumrészecskékkel infiltrálva, szén- vagy grafit-előformákba infiltrálva, amelyek e folyamat során nem zsugorodnak; így nagyon pontos méretekkel rendelkező alkatrészek hozhatók létre.

Az RBSC-vel való beszivárgást követően magas hőmérsékleten nitridálásnak vetik alá. Ezáltal a fémes szilícium SiC-nitriddé alakul át, és a fennmaradó pórusokat szilíciumkarbid hálózati anyaggal tölti ki. Az XRD azt mutatja, hogy ez a forma gyémántot, a-SiC-et, b-SiC-et, Si-t és SiO2-t tartalmaz, míg a SEM grafitrétegeket, valamint amorf szenet mutat.

A jelen lévő grafitréteg miatt az RBSC alacsonyabb k-értékeket mutat, mint a szinterezett SiC, mégis felülmúlja az NSIC értékeit. Továbbá jelentősen felülmúlta a SiO2-alapú kerámiákat a korrózióállóság, a magas hőmérsékletekkel szembeni ellenállás, a termikus sokkállóság és a termikus sokk elnyelőképesség tekintetében.

Elektromos tulajdonságok

A reakciókötésű szilíciumkarbid nagyszerű elektromos tulajdonságokkal rendelkezik, például alacsony fajlagos ellenállással és magas hővezető képességgel. Ezek a tulajdonságok teszik kiváló anyagválasztássá az elektromos fűtőelemek számára. Ezen túlmenően kémiai inertitása és oxidációval szembeni ellenállása alkalmassá teszi a kemencék hőelemeinek, égőcsúcsainak, ellenőrző tégláinak és muffinjainak gyártására; kiváló hősokk-ellenállósága pedig alkalmassá teszi a kemencékben bútornak való felhasználásra.

A reakciókötésű SiC úgy hozható létre, hogy finomra osztott, intim szik és szén keverékét lágyítóval keverik, majd a lágyítót formázzák és kiégetik, mielőtt folyékony vagy gáznemű szilíciummal beszivárogtatják. Ez a reakció lehetővé teszi, hogy a szilícium a szénnel kötődve több szilíciumkarbidot hozzon létre, amely aztán az eredeti szilíciumkarbiddal reagálva a-SiC, b-SiC és maradék Si összetételű kompozitot képez.

A beszivárgás idején azt állítják, hogy a reakció során képződött a-SiC szemcsék és b-SiC egyenletesen eloszlanak a porózus előformában csomósodás nélkül, ami valószínűleg annak tulajdonítható, hogy a kapilláris csatornákat nem zárják el az újonnan képződött b-SiC részecskék.