Silīcija karbīda izturības izpēte skarbā vidē

Silīcija karbīds ir izturīgs savienojums, kas rodas augsttemperatūras ķīmiskās reakcijas rezultātā starp silīciju un oglekli; tam piemīt ārkārtīgi izturīga kristāliska struktūra, kas padara to piemērotu lietošanai nelabvēlīgos apstākļos.

Silīcija karbīda ražošanas procesā ir nepieciešama stingra kvalitātes kontrole, lai nodrošinātu tā ilgmūžību nelabvēlīgos darba apstākļos. Mēs izpētīsim, kādi faktori ietekmē tā ilgmūžību.

Izturība pret koroziju

SiC ir ārkārtīgi cietais, blīvais materiāls, kas sastāv no dažādām silīcija karbīda kristāliskās struktūras formām jeb polotipiem, kur oglekļa atomi ir izkārtoti tetraedriski, veidojot tā slāņus vai polotipus; tādējādi rodas struktūras, kurās oglekļa atomi ir savienoti ar tetraedriskām saitēm, kas izkārtotas slāņos vai polotipos, nodrošinot materiālam unikālas korozijas izturības īpašības. Bezspiediena cepta silīcija karbīda (C/C-SiC) materiāls ir izturīgs pret visām skābēm (sālsskābi un sērskābi), bāzēm, šķīdinātājiem un oksidējošām vidēm, piemēram, slāpekļskābi, vienlaikus saglabājot pietiekamu izturību pret koroziju, tāpēc no C/C-SiC izgatavotus cietos tīģeļus bieži izmanto kā krāsns apšuvumu.

SiC materiālu korozija var būt ārkārtīgi sarežģīta, un to ietekmē vairāki faktori. Materiālu izturība pret koroziju ir atkarīga no to biezuma un oksīda slāņa dziļuma, kas veidojas oksidācijas procesu laikā; turklāt ķīmiskie un fizikālie mehānismi, kas nosaka slaveno parabolisko oksidācijas ātrumu, joprojām nav pilnībā izprasti.

Ilgtermiņa korozijas testi ir nepieciešami, lai novērtētu korozīvas vides ietekmi uz materiāla izturību. Ilgtermiņa korozija var veicināt virsmas defektu veidošanos, kas laika gaitā samazina materiālu izturību un kalpošanas ilgumu.

Uzņēmums „Elkem“ veica plašu korozijas jutīguma analīzi četriem SiC–SiC plākšņu savienojumu veidiem, kas tika izveidoti, izmantojot metāla difūzijas savienošanu ar molibdēna vai titāna starpslāni, reakcijas sinterēšanu un SiC nanopulvera sinterēšanu. Visi paraugi izturēja piecu nedēļu ilgus hidrotermiskos testus paaugstinātā temperatūrā bez radiācijas piesārņojuma.

Pretspēja termiskajai izplešanai

Silīcija karbīds (SiC) ir ārkārtīgi cietais sintētiskais materiāls, kura cietība pēc Mosa skalas atrodas starp alumīnija oksīdu (9) — vidēji 9 — un dimantu (vidēji 10). SiC tiek izmantots kā abrazīvs materiāls un nodilumizturīgas detaļas mehāniskajās sistēmās; kā ugunsizturīgs apšuvums rūpnieciskajās krāsnīs un keramikā; kā ugunsizturīgs pārklājums lidmašīnu degvielas tvertņu iekšpusē; kā ugunsizturīgs apšuvums rūpniecībā izmantotajās krāsnīs; kā arī augstas temperatūras pusvadītāju elektroniskajās ierīcēs.

Silīcija karbīds ir izcils termomehānisks keramikas materiāls ar zemu siltuma izplešanās koeficientu, kas ļauj tam saglabāt formu un izmērus strauju temperatūras svārstību laikā un padara uzticamākus izstrādājumus, kas darbojas ekstremālos apstākļos.

Silīcija karbīdam piemīt izcilas mehāniskās īpašības un lieliska siltumvadītspēja plašā darba temperatūras diapazonā, turklāt tas ir ļoti izturīgs pret koroziju un ķīmisko iedarbību, tādēļ tas ir piemērots lietošanai nelabvēlīgos apstākļos tādās nozarēs kā automobiļu rūpniecība, aviācija un elektronika.

Šī grāmata iepazīstina ar mikrosistēmu tehnoloģiju, kas balstās gan uz masveida, gan plānslāņa silīcija karbīdu (SiC), aptverot tās izaugsmi kā būtisku platformu mikrosistēmām, kas paredzētas nelabvēlīgiem apstākļiem, apvienojot elektronisko ierīču ražošanu ar mehāniskajām MEMS ierīcēm. Šajā grāmatā tiek pētītas arī grūtības, kas saistītas ar dažādu procesu un materiālu apvienošanu lietojamos sensoru moduļos; jo īpaši tiek padziļināti izpētīta komponentu temperatūras neatbilstība, kā arī SiC jutība pret vides ietekmi, vienlaikus plaši aprakstot jaunākos sasniegumus gan masīvā SiC materiāla tehnoloģijā, gan SiC plānslāņa tehnoloģijās.

Nodilumizturība

Volframa karbīds (WC) ir svarīgs un daudzpusīgs sakausējums, ko izmanto dažādos pielietojumos; tam piemīt ārkārtēja cietība, augsta vadītspēja, zema siltuma izplešanās un izturība pret koroziju. Volframa karbīds rodas, kad tīru volframa pulveri sajauc ar citiem metāliem, piemēram, oglekli, niķeli vai kobalta, izmantojot procesu, ko sauc par aglomerēšanu; pēc tam, kad tas ir presēts un kalts, iegūstot formas konkrētiem lietojumiem, visbiežāk — griešanas instrumentus. Volframa ārkārtīgā izturība ievērojami pārsniedz citu metālu izturību, ko izmanto griešanas rīku ražošanā; turklāt to bieži izmanto militārās vienības, pielietojot uzbrukuma taktiku, ko sauc par kinētisko bombardēšanu, kurā lodes tiek šautas tieši pret ienaidniekiem, lai pārvarētu bruņu aizsardzību un iekļūtu ienaidnieka aizsardzības līnijās.

Volframa karbīds (WC) tiek plaši izmantots precīzijas inženierijā, jo tas spēj izturēt ļoti augstus ātrumus un spiedienus, turklāt tam ir visaugstākais Janga modulis, viscietākā virsma, viszemākais siltuma izplešanās koeficients un vislabākā nodilumizturība starp visiem metāliem. Turklāt WC ļoti laba plastiskums ļauj to formēt stieņos vai ekstrudēt kā stiepli, piemēram, kvēlspuldzēs.

Volframa karbīds ir labi pazīstams kā trausls materiāls, kas spēcīgu triecienu ietekmē ir pakļauts plaisāšanai vai lūšanai, tādēļ tas ir mazāk izturīgs pret triecieniem nekā dārgmetāli, piemēram, zelts un platīns. Tomēr tas joprojām tiek plaši izmantots militārās jomās, kur izturība pret triecieniem ir vitāli svarīga, piemēram, NCSU krātera testēšanas iekārtā, kur volframa karbīda buferdiski tiek izmantoti, lai absorbētu lādiņu triecienus.

Elektriskā vadītspēja

Silīcija karbīda unikālā keramikas un pusvadītāju īpašību kombinācija padara to par ļoti pielāgojamu materiālu, kas piemērots izmantošanai rūpniecībā un elektronikas jomā. Pateicoties šīm īpašībām, silīcija karbīda elektronika var darboties pat nelabvēlīgos apstākļos, kur valda augstas temperatūras un sprieguma līmeņi, kas parasti neļautu citai elektronikai darboties pareizi.

No ķīmiskā viedokļa silīcija karbīds ir neticami stabils materiāls. Tas ir izturīgs pret lielāko daļu skābju (sālsskābi, sērskābi un fluorūdeņražskābi), sāļiem un sārmiem, izņemot koncentrētu sērskābi; turklāt tas nereaģē ar ūdeni, tādēļ tas ir ideāls materiāls detaļām, kurām nepieciešama ilgstoša saskare ar šķidrumiem.

Silīcija karbīds pateicoties savai atomu struktūrai piemīt izcilas elektriskās īpašības. Tas kristalizējas blīvās struktūrās, kas sastāv no kovalenti saistītiem oglekļa un silīcija slāņiem. Šie slāņi var būt sakārtoti dažādās konfigurācijās, ko sauc par politipiem; katrs politips izceļas ar savu slāņu sakārtojuma secību, radot dažādas kristāla struktūras, katrai no kurām piemīt unikālas īpašības.

Pateicoties savām daudzpusīgajām īpašībām, silīcija karbīds ieņem vadošo lomu tehnoloģisko inovāciju jomā. Tā izmantošana ekstremālos un augstas veiktspējas inženiertehniskajos risinājumos, piemēram, sūkņu gultņos, vārstos, smilšu strūklas inžektoros un ekstrūzijas matricās, kā arī pusvadītāju ierīču ražošanā, kas darbojas ekstremālos apstākļos, var nodrošināt ievērojamus uzlabojumus dažādās nozarēs.