Przegląd materiałów ceramicznych z węglika krzemu

Węglik krzemu jest jednym z najtwardszych i najtrwalszych zaawansowanych materiałów ceramicznych, stosowanym zarówno ze względu na swoją twardość jako materiał ścierny, jak i odporność na ciepło oraz niski współczynnik rozszerzalności cieplnej w materiałach ogniotrwałych i zastosowaniach ceramicznych.

Moissanit może również występować naturalnie jako przezroczysty minerał moissanit. Pierwsze sztucznie zsyntetyzowane próbki zostały stworzone w 1891 roku podczas próby stworzenia sztucznych diamentów przez Edwarda Achesona; później nagrodzony Noblem chemik Henri Moissan sztucznie zsyntetyzował więcej próbek.

Wytrzymałość na wysokie temperatury

Węglik krzemu (SiC) to niezwykle wytrzymała ceramika nietlenkowa, która oferuje wyjątkową odporność na korozję i atak chemiczny w podwyższonych temperaturach. SiC znajduje zastosowanie jako ogniotrwały materiał wykładzinowy w piecach przemysłowych jako ogniotrwały materiał wykładzinowy; ściernice; narzędzia tnące; oraz w zastosowaniach, w których wytrzymałość jest niezbędna, takich jak ściernice, narzędzia tnące i obróbka skrawaniem. Co więcej, komponenty SiC stanowią kluczowe części oporowych elementów grzejnych, termistorów do pieców elektrycznych, a także rur wykładzinowych i powierzchni uszczelniających zawierających SiC.

SiC jest znany ze swojej doskonałej odporności termicznej i wytrzymałości w podwyższonych temperaturach, dzięki czemu jest wysoko ceniony w zastosowaniach przemysłowych. SiC jest odporny na utlenianie w temperaturach do 1000 stopni C poprzez tworzenie warstwy ochronnej tlenku, która działa jak bariera między jego powierzchniami a elementami, które otaczają; jednak w wyższych temperaturach pęknięcia mogą przenikać przez tę barierę i rozpraszać energię przez obszary międzykrystaliczne lub ziarniste, co utrudnia zwiększenie wytrzymałości w podwyższonych temperaturach.

Węglik krzemu może być wytwarzany w dwóch różnych procesach: spajania reakcyjnego i spiekania. Obie formy mają znaczący wpływ na jego mikrostrukturę, a tym samym wydajność w podwyższonych temperaturach. Wiązanie reakcyjne polega na infiltracji ciekłym krzemem zielonych kompaktów składających się z mieszanin SiC i węgla; tworzy to struktury o minimalnych zmianach wymiarów podczas przetwarzania i ekspansywnej powierzchni. Ogniotrwała mikrostruktura rdzeń-powłoka zapewnia unikalne właściwości, które, jak wykazano, zwiększają wytrzymałość SiC w podwyższonych temperaturach.

Odporność na wysokie temperatury

Niezwykła wytrzymałość węglika krzemu sprawia, że jest on doskonałym materiałem do zastosowań wysokotemperaturowych, takich jak ceramiczne klocki hamulcowe do samochodów osobowych. Materiał ten jest w stanie wytrzymać temperatury do 1400 stopni Celsjusza, zachowując przy tym wyjątkową wytrzymałość i twardość, co sprawia, że węglik krzemu jest idealnym materiałem.

Węglik krzemu wyróżnia się na tle innych materiałów ceramicznych tym, że nie ulega degradacji ani stopieniu w wysokich temperaturach, dzięki czemu nadaje się do stosowania w aplikacjach o dużym obciążeniu, takich jak łożyska i płyty kuloodporne, bez ponoszenia trwałych uszkodzeń strukturalnych. Sprawia to, że węglik krzemu jest szczególnie idealny do zastosowań, w których występują duże obciążenia, takich jak łożyska i płyty kuloodporne.

Węglik krzemu występuje naturalnie jako niezwykle rzadki minerał moissanit, podczas gdy produkcja syntetycznego krzemu spełnia wymagania nowoczesnej obrony narodowej, energii jądrowej, technologii kosmicznej i przemysłu lotniczego, które wymagają precyzyjnych wymiarów.

Spiekany węglik krzemu może pochwalić się jedną z najwyższych przewodności cieplnych wśród ceramiki technicznej, ustępując jedynie azotkowi glinu. Można to przypisać strukturze sieci tlenowej, która powoduje duże rozpraszanie fononów. Przewodność cieplną można dodatkowo zwiększyć stosując dodatki tlenków w procesach spiekania, jednak powinny być one ograniczone do absolutnego minimum, aby zachować stabilność strukturalną i odporność materiału na utlenianie.

Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej

Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej węglika krzemu sprawia, że jest to idealny materiał do stosowania jako kompozyt z matrycą ceramiczną (CMC) w trudnych warunkach, dzięki czemu jest popularnie stosowany w zastosowaniach takich jak turbiny gazowe i dysze rakietowe, w których materiały muszą wytrzymywać wysokie temperatury, a także środowiska szoku termicznego.

Odporność na korozję sprawia, że stal nierdzewna jest doskonałym materiałem na wykładziny pieców przemysłowych dla przemysłu chemicznego, gdzie może wytrzymać ekstremalne temperatury przy jednoczesnym zachowaniu integralności strukturalnej. Co więcej, stal nierdzewna oferuje doskonałą stabilność chemiczną, umożliwiając długi okres pracy w nieprzyjaznych środowiskach ciekłych, takich jak roztwory kwasów i zasad.

Najbardziej rozpowszechniony polimorf węglika krzemu, forma alfa, można znaleźć w temperaturach powyżej 1700 stopni Celsjusza ze strukturą krystaliczną wurcytu i temperaturą topnienia powyżej 1700 stopni Celsjusza. Jednak rzadsza forma beta może również występować ze strukturą krystaliczną blendy cynkowej podobną do diamentu i niższą temperaturą topnienia przy 1030 ° C - ta rzadsza forma może służyć jako wsparcie dla heterogenicznych katalizatorów.

Węglik krzemu można znaleźć zarówno w postaci porowatej, jak i gęstej ceramiki. Techniki produkcji są bardzo zróżnicowane, a ostateczna mikrostruktura zależy od zastosowanej metody produkcji. SiC wiązany reakcyjnie jest wytwarzany przez infiltrację zwartych mieszanek węgla i SiC stopionym krzemem, który reaguje ze sobą, tworząc więcej SiC, wiążąc początkową zwartą strukturę; spiekany SiC, taki jak Hexoloy, jest formowany w konwencjonalnych procesach formowania ceramiki przed spiekaniem w wysokich temperaturach w atmosferze obojętnej.

Wysoka twardość

Twardość węglika krzemu w skali Mohsa sięga 9,5, co plasuje go na trzecim miejscu za diamentem i azotkiem boru. Sprawia to, że nadaje się on do narzędzi skrawających i materiałów ściernych, a także do produkcji części odpornych na zużycie w wysokich temperaturach, takich jak łożyska i uszczelnienia w zastosowaniach przemysłu mechanicznego.

Unikalne połączenie stabilnych właściwości chemicznych węglika krzemu, doskonałej przewodności cieplnej, niskiego współczynnika rozszerzalności cieplnej, twardości i wytrzymałości mechanicznej sprawiło, że jest on szeroko stosowany w wielu gałęziach przemysłu, w tym w przemyśle naftowym, inżynierii chemicznej, mikroelektronice, motoryzacji, lotnictwie, papiernictwie, górnictwie laserowym. Co więcej, węglik krzemu znajduje również zastosowanie w elektronice informacyjnej ochrony środowiska i zastosowaniach związanych z wykorzystaniem energii.

Węglik krzemu (SiC) może być wytwarzany przy użyciu dwóch procesów, wiązania reakcyjnego i spiekania, z których oba wpływają na jego ostateczną mikrostrukturę. SiC wiązany reakcyjnie jest zwykle tworzony poprzez infiltrację kompaktów składających się z mieszanin krzemu i węgla ciekłym krzemem, który następnie reaguje z innymi cząsteczkami krzemu i węgla, tworząc więcej wiązań SiC, podczas gdy spiekany SiC jest wytwarzany przy użyciu konwencjonalnych technik formowania ceramiki i nietlenkowych środków pomocniczych do spiekania.

Doskonała skrawalność węglika krzemu sprawia, że jest on doskonałym materiałem do produkcji odpornych na zużycie elementów uszczelniających, szczególnie w połączeniu z grafitem. Taka kombinacja zapewnia niższe współczynniki tarcia niż ceramika z tlenku glinu i twarde stopy oraz zachowuje swój kształt przy wysokich wartościach PV, zapobiegając wyciekom substancji chemicznych, takich jak zasady i kwasy, do środowiska.