Spiekany węglik krzemu

Węglik krzemu jest jednym z najtwardszych materiałów ceramicznych, charakteryzującym się niezwykle wysoką wytrzymałością i przewodnością cieplną. Ponadto jego odporność na utlenianie i korozję sprawia, że nadaje się do stosowania w środowiskach o wysokich temperaturach.

SiC spajany reakcyjnie charakteryzuje się gruboziarnistą strukturą i niską odpornością na korozję, natomiast SiC spiekany metodą bezpośrednią jest gęstszy i wykazuje lepszą odporność w wysokich temperaturach. W procesie spiekania bezciśnieniowego wykorzystuje się bardzo drobny proszek SiC z dodatkiem nieutleniaczowych środków spiekających, co pozwala uzyskać gęsty materiał o doskonałych właściwościach fizycznych.

Twardość

Węglik krzemu jest jednym z najtwardszych powszechnie stosowanych materiałów ściernych, osiągając 9,5 w skali twardości Mohsa – wynik zbliżony do twardości diamentu, która wynosi 10. Taka twardość zapewnia mu doskonałą odporność na zużycie nawet w podwyższonych temperaturach; substancje chemiczne, sole, kwasy i zasady nie stanowią dla niego większego zagrożenia; odporność na szok termiczny jest dobra; a do tego waży o połowę mniej niż stal!

Spiekanie w fazie ciekłej ma przewagę nad innymi procesami, m.in. dzięki niskim temperaturom obróbki i dobrej zdolności do uzyskania pożądanych kształtów. Ponadto pełna gęstość i doskonałe właściwości mechaniczne sprawiają, że materiał ten nadaje się do obróbki ściernej, szlifowania i polerowania, a także do cięcia, wiercenia, trawienia i frezowania.

Spiekany SiC znajduje szerokie zastosowanie w produkcji elementów urządzeń do wytwarzania półprzewodników, laserów oraz konstrukcji reaktorów termojądrowych ze względu na swoją wyjątkową stabilność chemiczną, odporność na wysokie temperatury, niską gęstość, wytrzymałość, odporność na zużycie oraz niską energię aktywacji. Dostępne są zarówno gatunki SiC spajane reakcyjnie, jak i spiekane bezpośrednio; gatunki spajane reakcyjnie zazwyczaj charakteryzują się niższymi kosztami i grubszym uziarnieniem, co przekłada się na mniejszą odporność na uderzenia i pracę cieplną, natomiast gatunki spiekane bezpośrednio zapewniają doskonałą odporność na zużycie w podwyższonych temperaturach dzięki drobniejszemu uziarnieniu, które zapewnia większą odporność na zużycie w podwyższonych temperaturach. Gatunki spajane reakcyjnie o grubszym uziarnieniu są zazwyczaj częściej stosowane.  W przypadku, gdy wymagana jest większa twardość w warunkach pracy niż w zastosowaniach wysokotemperaturowych, stosuje się gatunki spiekane bezpośrednio ze względu na lepszą odporność na zużycie w podwyższonych temperaturach; są one częściej specyfikowane do użytku, odpowiednio w sytuacjach, gdy pożądana jest większa odporność na zużycie w podwyższonych temperaturach, a twardość jest preferowana w stosunku do gatunków spajanego reakcyjnie. W przypadku gdy wymagana jest zarówno odporność na zużycie, jak i twardość, można stosować oba rodzaje, jednak gatunki spiekane bezpośrednio są częściej specyfikowane.twardości w podwyższonych temperaturach roboczych, są częściej wybierane niż gatunki spiekane bezpośrednio; w przypadku specyfikacji gatunków spiekanych bezpośrednio może zaistnieć potrzeba określenia obu opcji, a ponieważ twardość jest częściej wymagana, są one częściej stosowane.

Siła

Węglik krzemu to niezwykle wytrzymały ogniotrwały materiał ceramiczny, charakteryzujący się wyjątkową twardością, wytrzymałością w wysokich temperaturach oraz odpornością na korozję chemiczną – właściwości te sprawiają, że jest to jeden z najbardziej wszechstronnych materiałów ogniotrwałych na świecie, wykorzystywany w różnych zastosowaniach przemysłowych.

Spiekanie na gorąco jest jedną z podstawowych metod produkcji ceramiki SiC. Technika ta polega na wykorzystaniu niezwykle drobnego proszku węglika krzemu zmieszanego z dodatkami spiekającymi, który jest zagęszczany przy użyciu tradycyjnych metod formowania ceramiki, takich jak prasowanie izostatyczne, prasowanie matrycowe lub wtryskiwanie, w celu uzyskania gęstych struktur złożonych z drobnych cząstek zapewniających wytrzymałość.

Spiekanie SiC w fazie ciekłej bez ciśnienia (LPPSiC) to kolejna technika zagęszczania SiC. W tym przypadku ciekły krzem lub stop krzemu wprowadza się do surowca złożonego z cząstek a-SiC w celu utworzenia b-SiC, który reaguje i wiąże się z istniejącymi cząstkami a-SiC, zagęszczając je oraz cały surowiec.

Węglik krzemu spiekany reakcyjnie charakteryzuje się doskonałą zdolnością do uzyskiwania skomplikowanych kształtów, niskimi temperaturami obróbki oraz wysokim poziomem czystości; jego właściwości mechaniczne, takie jak wytrzymałość na zginanie, są niższe niż w przypadku zwykłego spiekanego węglika krzemu; aby poprawić tę właściwość, konieczne jest kontrolowanie wielkości resztkowego krzemu poprzez utrzymywanie wielkości cząstek poniżej 100 nm – osiągnięcie to stanowi wielki sukces w zakresie poprawy wytrzymałości ceramiki LSiC.

Odporność na korozję

Węglik krzemu charakteryzuje się doskonałą odpornością na korozję i wytrzymuje temperatury sięgające nawet 1 900 °C, dzięki czemu nadaje się do zastosowań, w których szok chemiczny i termiczny mogą spowodować uszkodzenie elementów.

Korozja materiałów ceramicznych wynika z tworzenia się na ich powierzchniach warstwy tlenku – zazwyczaj krzemionki lub krzemianu – w zależności od takich czynników, jak oddziaływanie środowiska, zanieczyszczenia, środki wspomagające spiekanie, fazy na granicach ziaren oraz reakcje zachodzące wkrótce po tym procesie. Prowadzi to do znacznych różnic w zachowaniu korozyjnym materiałów z węglika krzemu i azotku krzemu.

Ponieważ głównymi czynnikami branymi pod uwagę podczas projektowania materiałów przeznaczonych do stosowania w środowiskach korozyjnych są trwałość (mierzona jako tempo postępu korozji w środowisku korozyjnym) oraz wytrzymałość mechaniczna (wytrzymałość na zginanie w teście pierścienia C lub w teście czteropunktowym), korozja powoduje powstawanie wad powierzchniowych, które z czasem osłabiają wytrzymałość materiału i skracają jego żywotność mechaniczną.

Spiekany węglik krzemu stanowi doskonały wybór do stosowania w trudnych warunkach dzięki połączeniu wysokiej wytrzymałości i odporności na zużycie, niskiej gęstości właściwej oraz doskonałych właściwości tribologicznych. Jest często stosowany w elementach, które muszą wytrzymywać obciążenia udarowe wynikające z dużych obciążeń, takich jak dysze strumieniowo-ścierne lub łożyska ślizgowe; ponadto jest szeroko wykorzystywany w hamulcach z węglowego włókna wzmocnionego węglikiem krzemu oraz w produkcji pancerzy kuloodpornych, ponieważ jest odporny na wysokie naprężenia i temperatury.

Trwałość

Spiekany węglik krzemu to niezwykle twardy materiał ceramiczny o doskonałej odporności na zużycie i właściwościach antykorozyjnych, co czyni go doskonałym materiałem ściernym. Znajduje zastosowanie w ściernicach, kamieniach do honowania, piaskarkach i wycinarkach strumieniowych do szlifowania lub honowania, a także w procesach cięcia strumieniem wody.

Odporność chemiczna tego materiału pozwala mu wytrzymać długotrwałe działanie typowych kwasów nieorganicznych, soli i zasad bez ulegania degradacji. Ponadto jego trwałość zwiększają ściśle upakowane wiązania kowalencyjne, utworzone przez 4 atomy krzemu i 4 atomy węgla w układzie koordynacyjnym czworościennym.

Spiekany SiC powstaje w wyniku sprasowania i spiekania (podgrzania) cząstek proszku krzemionkowego. Spiekanie pozwala na połączenie się poszczególnych cząstek w jeden lity element o wysokiej twardości i wytrzymałości, który jest również odporny na utlenianie i korozję; ponadto charakteryzuje się większą trwałością niż większość rodzajów ceramiki.

Węglik krzemu otrzymywany metodą syntezy reakcyjnej, wytwarzany poprzez infiltrację ciekłego krzemu do porowatych preform grafitowych lub węglowych, charakteryzuje się mniejszą wytrzymałością niż węglik krzemu spiekany, ale jest bardziej odpowiedni ze względu na niskie temperatury obróbki, dobrą formowalność i wyższą czystość. Komercyjny węglik krzemu otrzymywany metodą syntezy reakcyjnej wykazuje wytrzymałość na zginanie w temperaturze pokojowej wynoszącą około 300 MPa.

Węglik krzemu spiekany reakcyjnie z dodatkiem boru lub węgla jako środków wspomagających spiekanie charakteryzuje się wyjątkowo wysoką odpornością na pełzanie, uzyskaną dzięki modyfikacji energii granic ziaren i energii powierzchniowej, a także zwiększeniu szybkości dyfuzji objętościowej w celu przyspieszenia zagęszczania i utwardzania. Pozwala to ziarnom pozostawać w bezpośrednim kontakcie krystalicznym bez tworzenia struktur faz drugorzędnych na granicach ziaren.