Utforsker holdbarheten til silisiumkarbid i tøffe miljøer

Silisiumkarbid er en sterk forbindelse som dannes gjennom en kjemisk reaksjon mellom silisium og karbon ved høy temperatur, med en ekstremt holdbar krystallinsk struktur som gjør den egnet for bruk i tøffe miljøer.

Silisiumkarbid krever strenge kvalitetskontroller under produksjonsprosessen for å sikre lang levetid i tøffe arbeidsmiljøer. Vi skal se nærmere på hvilke faktorer som påvirker levetiden.

Motstandsdyktighet mot korrosjon

SiC er et ekstremt hardt, tett materiale som består av ulike former eller polytyper av silisiumkarbidkrystallstruktur med karbonatomer arrangert tetraedrisk for å utgjøre lagene eller polytypene, noe som gir strukturer med karbonatomer arrangert tetraedriske bindinger mellom karbonatomer arrangert som lag eller polytyper som skaper dets unike korrosjonsbestandige egenskaper. Trykkløst sintret silisiumkarbid (C/C-SiC) motstår alle syrer (saltsyre og svovelsyre), basiske løsemidler og oksiderende miljøer som salpetersyre, samtidig som det er korrosjonsbestandig nok til at smeltedigler laget av C/C-SiC ofte brukes som ovnsforing.

Korrosjon av SiC-materialer kan være ekstremt komplekst, og avhenger av flere faktorer. Materialenes korrosjonsbestandighet avhenger av tykkelsen og dybden på oksidlaget som dannes under oksidasjonsprosessen. I tillegg er de kjemiske og fysiske mekanismene som er ansvarlige for den berømte parabolske oksidasjonshastigheten, fortsatt ufullstendig forstått.

Langtidskorrosjonstester er nødvendige for å evaluere effekten av korrosive miljøer på materialets styrke. Langtidskorrosjon kan føre til økte overflatefeil som reduserer materialenes styrke og holdbarhet over tid.

Elkem utførte omfattende korrosjonsfølsomhetsanalyser av fire typer SiC til SiC-platefuger sammenføyd ved hjelp av metalldiffusjonsliming med enten molybden- eller titanmellomlag, reaksjonssintring og sintring av SiC-nanopulver. Alle prøvene gjennomgikk fem ukers hydrotermisk testing ved forhøyet temperatur uten strålingskontaminering i løpet av fem ukers hydrotermisk testing ved forhøyet temperatur.

Motstand mot termisk ekspansjon

Silisiumkarbid (SiC) er et ekstremt hardt syntetisk materiale som ligger et sted på Mohs-skalaen mellom aluminiumoksid (9), med et gjennomsnitt på 9, og diamant (10 i gjennomsnitt). SiC brukes som slipemiddel og slitesterke deler i mekaniske applikasjoner, til ildfaste foringer i industriovner og keramikk, som ildfaste belegg på drivstofftanker i fly, som ildfaste foringer i ovner som brukes i industrien, og i elektroniske halvlederenheter som opererer ved høye temperaturer.

Silisiumkarbid er et bemerkelsesverdig termomekanisk keramisk materiale med lav termisk ekspansjonskoeffisient, noe som gjør at det opprettholder sin form og størrelse under raske temperatursvingninger og gjør produkter som opererer i ekstreme miljøer mer pålitelige.

Silisiumkarbid har eksepsjonelle mekaniske egenskaper og kan skilte med god varmeledningsevne og et bredt temperaturområde, i tillegg til at det er svært motstandsdyktig mot korrosjon og kjemiske angrep, noe som gjør det egnet for bruk i tøffe miljøer i bransjer som bil-, romfarts- og elektronikkindustrien.

Denne boken presenterer mikrosystemteknologi basert på både bulk- og tynnfilm-silisiumkarbid (SiC), og tar for seg SiCs fremvekst som en viktig plattform for mikrosystemer i tøffe miljøer ved å kombinere produksjon av elektroniske enheter med mekaniske MEMS-enheter. Boken tar også for seg vanskelighetene som ligger i å kombinere ulike prosesser og materialer til brukbare sensormoduler; spesielt temperaturforskjeller mellom komponenter og SiCs miljøfølsomhet blir grundig utforsket, samtidig som den tar for seg det nyeste innen både bulkmateriale og tynnfilmteknologi for SiC.

Motstand mot slitasje

Wolframkarbid (WC) er en viktig og allsidig legering som brukes i en rekke bruksområder, med ekstrem hardhet, høy ledningsevne, lav varmeutvidelse og korrosjonsbestandighet. Wolframkarbid oppstår når rent wolframpulver blandes med andre metaller som karbon, nikkel eller kobolt ved hjelp av en prosess som kalles sintring, og deretter formes det til former for spesifikke bruksområder ved hjelp av pressing og smiing, som oftest skjæreverktøy. Wolframs ekstreme holdbarhet strekker seg mye lenger enn andre metaller som brukes til skjæreverktøy. I tillegg brukes det ofte av militære enheter som bruker en angrepstaktikk som kalles kinetisk bombardement, der kuler avfyres direkte mot fiender for å trenge gjennom panserbeskyttelse og trenge gjennom fiendens forsvarsverk.

Wolframkarbid (WC) brukes i stor utstrekning til presisjonsteknikk fordi det tåler svært høye hastigheter og trykk, har den høyeste Young-modulen, den hardeste overflaten, den laveste varmeutvidelsen og den beste slitestyrken av alle metaller. I tillegg gjør WCs duktilitet at det kan formes til stenger eller ekstruderes som tråd, slik som i glødepærer.

Wolframkarbid er notorisk skjørt og utsatt for sprekkdannelser eller brudd ved kraftige støt, noe som gjør det mer utsatt for støt enn edle metaller som gull og platina. Likevel er det fortsatt populært i militære applikasjoner der støtmotstand er avgjørende, som for eksempel ved NCSUs kratertestanlegg, der man bruker bufferdisker av wolframkarbid til å absorbere prosjektilstøt.

Elektrisk ledningsevne

Silisiumkarbid har en unik kombinasjon av keramiske egenskaper og halvlederegenskaper som gjør det til et svært tilpasningsdyktig materiale som egner seg for industriell og elektronisk bruk. På grunn av disse egenskapene kan elektronikk av silisiumkarbid fungere selv i tøffe miljøer med høye temperaturer og spenningsnivåer som vanligvis ville diskvalifisert annen elektronikk fra å fungere skikkelig.

Kjemisk sett er silisiumkarbid et utrolig stabilt materiale. Det motstår de fleste syrer (saltsyre, svovelsyre og flussyre), salter og baser, med unntak av konsentrert svovelsyre; dessuten reagerer det ikke med vann, noe som gjør det til et ideelt materialvalg for komponenter som krever langvarig eksponering for væske.

Silisiumkarbid har utmerkede elektriske egenskaper på grunn av sin atomstruktur. Det krystalliserer i tettpakkede strukturer som inneholder kovalent bundne lag av karbon og silisium. Disse lagene kan arrangeres i ulike konfigurasjoner, såkalte polytyper. Hver polytype kjennetegnes av sin egen stablingssekvens, noe som gir opphav til ulike krystallstrukturer, hver med unike egenskaper.

Silisiumkarbid har en rekke egenskaper som gjør at det ligger i forkant av teknologisk innovasjon. Bruk i ekstreme og høytytende tekniske anvendelser som pumpelagre, ventiler, sandblåsingsinjektorer og ekstruderingsformer, samt produksjon av halvlederkomponenter som opererer under ekstreme forhold, kan føre til betydelige forbedringer på tvers av bransjer.