Pārskats par silīcija karbīda keramikas materiāliem

Silīcija karbīds ir viens no cietākajiem un izturīgākajiem progresīvajiem keramikas materiāliem, ko izmanto gan kā abrazīvu materiālu, gan karstumizturības un zema termiskās izplešanās koeficienta dēļ ugunsizturīgajos materiālos un keramikā.

Moisanīts var būt sastopams arī dabā kā caurspīdīgs minerāls moisanīts. Pirmie mākslīgi sintezētie paraugi tika radīti 1891. gadā Edvarda Ačsona mēģinājuma laikā radīt mākslīgos dimantus; vēlāk Nobela prēmijas laureāts ķīmiķis Anrī Moisāns mākslīgi sintezēja vairāk paraugu.

Augstas temperatūras izturība

Silīcija karbīds (SiC) ir ārkārtīgi izturīga bezoksīda keramika, kas nodrošina izcilu izturību pret koroziju un ķīmisko iedarbību paaugstinātā temperatūrā. SiC tiek izmantots kā ugunsizturīgs oderējuma materiāls rūpnieciskajās krāsnīs kā ugunsizturīgs oderējuma materiāls, slīpēšanas diskiem, griezējinstrumentiem un lietojumiem, kur izturība ir būtiska, piemēram, slīpēšanas diskiem, griezējinstrumentiem un apstrādes iekārtām. Turklāt SiC komponenti veido galvenās daļas pretestības sildelementos, termistorus elektriskajām krāsnīm, kā arī SiC saturošas oderējuma caurules un blīvējuma virsmas.

SiC ir pazīstams ar savu izcilo termisko pretestību un izturību paaugstinātā temperatūrā, tāpēc tas ir ļoti novērtēts rūpnieciskajos lietojumos. SiC ir izturīgs pret oksidēšanos temperatūrā līdz 1000 grādiem C, veidojot oksīda aizsargslāni, kas darbojas kā barjera starp tā virsmām un elementiem, kurus tās ieskauj; tomēr augstākās temperatūrās plaisas var iekļūt šajā barjerā un izkliedēt enerģiju caur starpkristālu vai granulu apgabaliem, kā rezultātā paaugstinātā temperatūrā ir grūti palielināt izturību.

Silīcija karbīdu var izgatavot divos atšķirīgos procesos: reakcijas saistīšanas un saķepināšanas procesā. Abas formas būtiski ietekmē tā mikrostruktūru un līdz ar to arī veiktspēju paaugstinātā temperatūrā. Reakcijas saistīšana ietver zaļo kompaktu, kas sastāv no SiC un oglekļa maisījumiem, infiltrēšanu ar šķidro silīciju; tā tiek radītas struktūras ar minimālām izmēru izmaiņām apstrādes laikā un plašu virsmas laukumu. Ugunsizturīgā serdes-apvalka mikrostruktūra nodrošina unikālas īpašības, kas, kā pierādīts, palielina SiC izturību paaugstinātās temperatūrās.

Izturība pret augstām temperatūrām

Silīcija karbīda ievērojamā izturība padara to par lielisku materiālu, ko var izmantot augstās temperatūrās, piemēram, keramikas bremžu klučos automobiļiem. Šis materiāls spēj izturēt temperatūru līdz pat 1400 grādiem pēc Celsija, vienlaikus saglabājot izcilu izturību un cietību, kas padara silīcija karbīdu par ideālu materiālu.

Silīcija karbīds atšķiras no citiem keramikas materiāliem ar to, ka tas nesadegradē un nekustas augstā temperatūrā, tāpēc ir piemērots izmantošanai augstas slodzes apstākļos, kas rada lielu slodzi, piemēram, gultņos un ložu plāksnēs, neradot neatgriezeniskus strukturālus bojājumus. Tas padara silīcija karbīdu īpaši ideāli piemērotu lietojumiem, kas saistīti ar augstu slodzes slodzi, piemēram, gultņiem un ložu plātnēm.

Silīcija karbīds dabā sastopams kā ārkārtīgi retais minerāls moizanīts, savukārt sintētiskā sic ražošana atbilst mūsdienu valsts aizsardzības, kodolenerģētikas, kosmosa tehnoloģiju un kosmiskās aviācijas nozares prasībām, kurās ir nepieciešami precīzi izmēri.

Sinterētajam silīcija karbīdam ir viena no augstākajām siltumvadītspēju īpašībām tehniskās keramikas vidū, kas ir otrā vietā aiz alumīnija nitrīda. To var izskaidrot ar tā skābekļa režģa struktūru, kas rada lielu fononu izkliedi. Lai gan tā siltumvadītspēju var vēl vairāk palielināt, saķepināšanas procesos izmantojot oksīdu piedevas, tās ir jāsamazina līdz absolūtam minimumam, lai saglabātu materiāla strukturālo stabilitāti un izturību pret oksidāciju.

Zems termiskās izplešanās koeficients

Silīcija karbīda zemais termiskās izplešanās koeficients padara to par ideālu materiālu, ko var izmantot kā keramikas matricas kompozītu (CMC) skarbos apstākļos, tāpēc to plaši izmanto tādos lietojumos kā gāzes turbīnas un raķešu sprauslas, kur materiāliem jāiztur augstas temperatūras, kā arī termiskie šoki.

Noturība pret koroziju padara nerūsējošo tēraudu par lielisku materiālu izvēli ķīmiskās rūpniecības krāšņu oderējumam, jo tas var izturēt ekstremālas temperatūras, vienlaikus saglabājot strukturālo integritāti. Turklāt nerūsējošais tērauds ir ļoti ķīmiski noturīgs, ļaujot ilgstoši darboties tādās nelabvēlīgās šķidrās vidēs kā skābes un sārmu šķīdumi.

Silicija karbīda visizplatītākais polimorfs, alfa forma, ir sastopams temperatūrā virs 1700 grādiem pēc C ar virtzīta kristālisko struktūru un kušanas temperatūru virs 1700 grādiem pēc C. Tomēr var pastāvēt arī retāka beta forma ar cinka blende kristālisko struktūru, kas līdzīga dimantam, un zemāku kušanas temperatūru 1030 grādos pēc Celsija - šī retākā forma var kalpot kā atbalsts heterogēniem katalizatoriem.

Silīcija karbīdu var atrast gan porainas, gan blīvas keramikas veidā. Ražošanas paņēmieni ir ļoti atšķirīgi, un galīgā mikrostruktūra ir atkarīga no izmantotās ražošanas metodes. Reaģējot saistītais SiC tiek ražots, infiltrējot oglekļa-SiC maisījuma kompaktus ar izkausētu silīciju, kas savstarpēji reaģē, veidojot vairāk SiC, saistot sākotnējo kompaktu; saķepināto SiC, piemēram, Hexoloy, veido, izmantojot parastos keramikas formēšanas procesus, pirms saķepināšanas augstā temperatūrā inertā atmosfērā.

Augsta cietība

Silīcija karbīda cietība pēc Mosa skalas sasniedz 9,5, ierindojot to trešajā vietā aiz dimanta un bora nitrīda. Tas padara to piemērotu griezējinstrumentu un abrazīvo materiālu griešanai, kā arī pret nodilumu izturīgu detaļu, piemēram, gultņu un blīvslēgu, izgatavošanai mehāniskajā rūpniecībā.

Silīcija karbīda unikālā stabilo ķīmisko īpašību, lieliskās siltumvadītspējas, zemā termiskās izplešanās koeficienta, cietības un mehāniskās izturības kombinācija ir ļāvusi to plaši izmantot vairākās rūpniecības nozarēs, tostarp naftas, ķīmijas, mikroelektronikas, automobiļu, aviācijas, papīra ražošanas, lāzera ieguves rūpniecībā. Turklāt silīcija karbīds tiek izmantots arī vides aizsardzības informācijas elektronikā un enerģijas izmantošanas lietojumos.

Silīcija karbīdu (SiC) var ražot, izmantojot divus procesus - reakcijas saistīšanu un saķepināšanu, un abi šie procesi ietekmē tā galīgo mikrostruktūru. Reakcijas saķepināto SiC parasti veido, infiltrējot kompaktus, kas sastāv no silīcija un oglekļa maisījumiem, ar šķidro silīciju, kas pēc tam reaģē ar citām silīcija un oglekļa molekulām, veidojot vairāk SiC saišu, savukārt saķepināto SiC ražo, izmantojot parastās keramikas formēšanas metodes un bezoksidus saķepināšanas palīglīdzekļus.

Silicija karbīda lieliskā apstrādājamība padara to par lielisku materiālu nodilumizturīgu blīvēšanas komponentu izgatavošanai, īpaši kombinācijā ar grafītu. Šī kombinācija nodrošina zemāku berzes koeficientu nekā alumīnija keramikas un cieto sakausējumu gadījumā, kā arī saglabā savu formu augstās PV vērtībās, lai novērstu ķīmisko vielu, piemēram, sārmu un skābju noplūdi vidē.