ceramika z węglika krzemu

Ceramika konstrukcyjna, znana również jako ceramika inżynierska, to klasa zaawansowanych materiałów ceramicznych, które wykazują przede wszystkim właściwości mechaniczne, termiczne, chemiczne i inne charakterystyczne dla materiałów. Ceramika konstrukcyjna charakteryzuje się odpornością na wysokie temperatury, odpornością na zużycie, korozję i utlenianie oraz niską pełznością w wysokich temperaturach. Mogą one wytrzymać trudne warunki pracy, w których materiały metalowe i polimerowe nie sprawdzają się. Są szeroko stosowane w lotnictwie, przemyśle maszynowym, motoryzacyjnym, metalurgicznym, chemicznym, elektronicznym i innych dziedzinach, stając się klasą materiałów ceramicznych, która rozwija się bardzo dynamicznie. Ceramika konstrukcyjna obejmuje głównie ceramikę tlenkową, azotkową i węglikową. Poniżej przedstawiono głównie ceramikę z węglika krzemu. Węglik krzemu, powszechnie znany jako karborund, jest typowym związkiem o wiązaniu kowalencyjnym, który prawie nie występuje w naturze. W 1890 roku, gdy Eword i G. Acheson chcieli zsyntetyzować diament poprzez dodanie krzemu do węgla jako katalizatora, otrzymali węglik krzemu. Obecnie materiał ten jest nadal przedmiotem badań i prac rozwojowych.

Węglik krzemu został początkowo zastosowany ze względu na swoją wyjątkową twardość, co pozwala na wytwarzanie z niego różnych ściernic, tkanin ściernych, papieru ściernego oraz różnych materiałów ściernych; jest on szeroko stosowany w przemyśle obróbki mechanicznej. Podczas II wojny światowej odkryto, że ceramika z węglika krzemu może być również wykorzystywana jako środek redukujący i element grzejny w hutnictwie stali, co przyczyniło się do jej szybkiego rozwoju. W wyniku dalszych badań stwierdzono, że materiał ten posiada wiele doskonałych właściwości, takich jak stabilność w wysokich temperaturach, wysoka przewodność cieplna, odporność na korozję kwasową i alkaliczną, niski współczynnik rozszerzalności oraz dobra odporność na szok termiczny.

Wyróżnia się głównie dwie formy krystaliczne węglika krzemu, a mianowicie: sześcienną β-SIC₄ i heksagonalną α-SIC. Podstawowymi jednostkami strukturalnymi sieci krystalicznej węglika krzemu są czworościany SIC₄ i CSI₄, które wzajemnie się przenikają. Tetraedry dzielą tę samą krawędź, tworząc warstwę płaską, a ich wierzchołki łączą się z kolejną warstwą tetraedrów, tworząc trójwymiarową strukturę. Ponieważ różne sekwencje ułożenia tetraedrów mogą tworzyć różne struktury, do tej pory odkryto setki ich wariantów. Zazwyczaj do oznaczenia typu sieci stosuje się zwięzłe i intuicyjne symbole, a mianowicie litery C, H, R, a różnice między nimi wskazuje się liczbą warstw zawartych w komórce elementarnej. Chociaż stałe sieciowe tych polimorfów są różne, nie ma wyraźnej zmiany w składzie substancji w nich zawartych. Ceramika z węglika krzemu jest typowym związkiem walencyjnym, ale istnieją również pewne typy jonowe. Zgodnie z obliczeniami teoretycznymi 78% całkowitej energii wiązania Si-C przypada na stan kowalencyjny, a 22% na stan jonowy. Ze względu na niewielkie rozmiary atomów S i C, długość wiązania oraz silną kowalencyjność, ceramika z węglika krzemu charakteryzuje się szeregiem właściwości, takich jak wysoka twardość, pewna wytrzymałość mechaniczna oraz trudność w spiekaniu.

Węglik krzemu jest typowym, stabilnym związkiem o wiązaniach kowalencyjnych. Ponadto charakteryzuje się niskim współczynnikiem dyfuzji, co utrudnia jego zagęszczenie przy użyciu konwencjonalnych metod spiekania. Aby uzyskać gęstą ceramikę z węglika krzemu, konieczne jest dodanie środków wspomagających spiekanie w celu zwiększenia energii powierzchniowej lub powierzchni właściwej oraz zastosowanie specjalnych procesów. W zależności od procesu spiekania, węglik krzemu można podzielić na ceramikę z rekrystalizowanego węglika krzemu, ceramikę z węglika krzemu spiekaną reakcyjnie, ceramikę z węglika krzemu spiekaną bezciśnieniowo, ceramikę z węglika krzemu spiekaną metodą prasowania na gorąco, ceramikę z węglika krzemu spiekaną metodą wysokotemperaturowego prasowania izostatycznego na gorąco oraz węglik krzemu otrzymywany metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej. Właściwości węglika krzemu otrzymanego różnymi metodami znacznie się różnią, co oznacza, że nawet SIC wytworzony tą samą metodą może charakteryzować się gorszymi parametrami użytkowymi ze względu na różnice w surowcach i dodatkach.