En oversikt over keramiske materialer av silisiumkarbid

Silisiumkarbid er et av de hardeste og mest holdbare avanserte keramiske materialene, og brukes både for sin hardhet som slipemateriale og for sin varmebestandighet og lave varmeutvidelseskoeffisient i ildfaste materialer og keramiske applikasjoner.

Moissanitt kan også forekomme naturlig som det gjennomsiktige mineralet moissanitt. De første kunstig fremstilte prøvene ble laget i 1891 under Edward Achesons forsøk på å lage kunstige diamanter, og senere fremstilte den nobelprisvinnende kjemikeren Henri Moissan flere kunstig fremstilte prøver.

Styrke ved høye temperaturer

Silisiumkarbid (SiC) er en ekstremt sterk ikke-oksidkeramikk som gir eksepsjonell motstand mot korrosjon og kjemiske angrep ved høye temperaturer. SiC brukes som ildfast foringsmateriale i industriovner, som ildfast foringsmateriale, slipeskiver, skjæreverktøy og bruksområder der styrke er avgjørende, for eksempel slipeskiver, skjæreverktøy og maskineringsapplikasjoner. SiC-komponenter utgjør dessuten viktige deler i motstandsoppvarmingselementer, termistorer for elektriske ovner samt foringsrør og tetningsflater som inneholder SiC.

SiC er kjent for sin overlegne termiske motstandskraft og styrke ved høye temperaturer, noe som gjør det svært ettertraktet i industrien. SiC motstår oksidasjon ved temperaturer opp til 1000 °C ved å danne et beskyttende oksidlag som fungerer som en barriere mellom overflatene og elementene de omgir. Ved høyere temperaturer kan imidlertid sprekker trenge gjennom denne barrieren og spre energi via interkrystallinske eller granulære områder, noe som gjør det vanskelig å øke styrken ved høye temperaturer.

Silisiumkarbid kan produseres gjennom to forskjellige prosesser: reaksjonsbundet og sintret. Begge formene har betydelig innflytelse på mikrostrukturen, og dermed på ytelsen ved høye temperaturer. Reaksjonsbinding innebærer infiltrering av grønne kompakter bestående av blandinger av SiC og karbon med flytende silisium; dette skaper strukturer med minimale dimensjonsendringer under prosessering, og et ekspansivt overflateareal. Den ildfaste kjerne-skall-mikrostrukturen gir unike egenskaper som har vist seg å øke styrken til SiC ved høye temperaturer.

Motstandsdyktighet mot høye temperaturer

Silisiumkarbid har en bemerkelsesverdig styrke som gjør det til et utmerket materialvalg for bruksområder med høye temperaturer, som for eksempel keramiske bremseklosser til personbiler. Materialet tåler temperaturer på opptil 1400 °C, samtidig som det opprettholder sin eksepsjonelle styrke og hardhet, noe som gjør silisiumkarbid til et ideelt materiale.

Silisiumkarbid skiller seg fra andre keramiske materialer ved at det ikke brytes ned eller smelter ved høye temperaturer, noe som gjør det egnet til bruk i applikasjoner med høy belastning, for eksempel lagre og skuddsikre plater, uten at det oppstår permanente strukturelle skader. Dette gjør silisiumkarbid spesielt godt egnet for bruksområder med høy belastning, som for eksempel lagre og skuddsikre plater.

Silisiumkarbid forekommer naturlig som det ekstremt sjeldne mineralet moissanitt, mens syntetisk produksjon av silisiumkarbid oppfyller kravene til moderne nasjonale forsvar, kjernekraft, romteknologi og romfartsindustri som krever presise dimensjoner.

Sintret silisiumkarbid har en av de høyeste varmeledningsegenskapene blant tekniske keramer, nest etter aluminiumnitrid. Dette kan tilskrives gitterets oksygenstruktur, som gir stor spredning av fononer. Selv om varmeledningsevnen kan økes ytterligere ved hjelp av oksidtilsetninger i sintringsprosessen, bør disse holdes på et absolutt minimum for å bevare materialets strukturelle stabilitet og oksidasjonsmotstand.

Lav termisk ekspansjonskoeffisient

Silisiumkarbidets lave varmeutvidelseskoeffisient gjør det til det perfekte materialet for bruk som keramisk matrikskompositt (CMC) under tøffe forhold, noe som gjør det populært i bruksområder som gassturbiner og rakettdyser der materialene må tåle både høye temperaturer og termisk sjokk.

Korrosjonsbestandighet gjør rustfritt stål til et utmerket materialvalg for ovnsforinger i kjemisk industri, der det tåler ekstreme temperaturer samtidig som det beholder sin strukturelle integritet. I tillegg er rustfritt stål svært kjemisk stabilt, noe som gjør det mulig å bruke det i lange perioder i aggressive væskemiljøer som sure og alkaliske løsninger.

Silisiumkarbidets mest utbredte polymorfe form, alfaformen, finnes ved temperaturer over 1700 °C med en wurtzitt-krystallstruktur og smeltepunkter over 1700 °C. Det finnes imidlertid også en mer sjelden beta-form med sinkblende-krystallstruktur som ligner på diamant og et lavere smeltepunkt på 1030 °C. Denne mer sjeldne formen kan brukes som støtte for heterogene katalysatorer.

Silisiumkarbid finnes både som porøs og tett keramikk. Produksjonsteknikkene varierer mye, og den endelige mikrostrukturen avhenger av hvilken produksjonsmetode som brukes. Reaksjonsbundet SiC produseres ved å infiltrere kompakter av karbon-SiC-blanding med smeltet silisium som reagerer med hverandre for å danne mer SiC og binde den opprinnelige kompakten; sintret SiC, som Hexoloy, dannes ved hjelp av konvensjonelle keramiske formingsprosesser før det sintres ved høye temperaturer under en inert atmosfære.

Høy hardhet

Silisiumkarbid har en hardhet på Mohs-skalaen på opptil 9,5, noe som plasserer det på tredjeplass etter diamant og bornitrid. Dette gjør det egnet til skjæreverktøy og slipende materialer, samt til produksjon av slitesterke deler med høy temperatur, som lagre og tetninger i mekanisk industri.

Silisiumkarbid har en unik kombinasjon av stabile kjemiske egenskaper, utmerket varmeledningsevne, lav varmeutvidelseskoeffisient, hardhet og mekanisk styrke, noe som har ført til at det brukes i en rekke bransjer, blant annet petroleum, kjemiteknikk, mikroelektronikk, biler, luftfart, papirproduksjon og lasergruvedrift. Videre finner silisiumkarbid også anvendelse innen miljøverninformasjonselektronikk og energibruk.

Silisiumkarbid (SiC) kan produseres ved hjelp av to prosesser, reaksjonsbinding og sintring, som begge vil påvirke den endelige mikrostrukturen. Reaksjonsbundet SiC lages vanligvis ved å infiltrere kompakter bestående av blandinger av silisium og karbon med flytende silisium, som deretter reagerer med andre silisium-karbonmolekyler for å danne flere SiC-bindinger, mens sintret SiC lages ved hjelp av konvensjonelle keramiske formingsteknikker og sintringshjelpemidler som ikke består av oksider.

Silisiumkarbidets utmerkede bearbeidbarhet gjør det til et utmerket materiale for produksjon av slitesterke tetningskomponenter, spesielt når det kombineres med grafitt. Denne kombinasjonen gir lavere friksjonskoeffisienter enn aluminiumoksidkeramikk og harde legeringer, og beholder sin form ved høye PV-verdier for å forhindre lekkasje av kjemikalier som alkalier og syrer til omgivelsene.