Wiązany reakcyjnie węglik krzemu

Węglik krzemu spajany reakcyjnie (RBSC) to wyjątkowo twardy i wytrzymały materiał ceramiczny, charakteryzujący się doskonałą wytrzymałością mechaniczną, odpornością na uderzenia, stabilnością chemiczną oraz plastycznością, dzięki czemu nadaje się do różnych zastosowań.

RB-SiC charakteryzuje się mniejszą twardością w porównaniu ze spiekanym węglikiem krzemu, ale jego produkcja jest łatwiejsza i tańsza, a jednocześnie materiał ten wykazuje doskonałą odporność na szok termiczny.

Właściwości fizyczne

W procesie RMI wykorzystuje się cząstki a-SiC wbudowane w porowatą preformę węglową (G0), a następnie przeprowadza się infiltrację ciekłym krzemem w celu uzyskania węgliku krzemu związanego reakcyjnie. Niestety jednak ciekły krzem może powodować zatykanie porów w wyniku procesu infiltracji, dlatego w niniejszym badaniu zastosowano węgiel wielofazowy jako środek zapobiegający temu problemowi oraz w celu poprawy właściwości mechanicznych RB-SiC.

Węgiel wielofazowy składał się z drobnego amorficznego sadzy oraz gruboziarnistego węgla mikrosferycznego. Podczas infiltracji ciekłym krzemem węgiel mikrosferyczny ulega zużyciu, podczas gdy węgiel amorficzny może wydostawać się z porów, zapobiegając zatykaniu ich w wyniku reakcji wypełniania porów – w związku z tym, jak zaobserwowano na próbkach P10F90, P20F80 i P30F70 nie zaobserwowano charakterystycznego piku, co sugeruje, że węgiel wielofazowy pomógł uniknąć tego problemu i poprawił wytrzymałość na zginanie wraz ze wzrostem temperatury infiltracji i czasu wygrzewania.

Właściwości mechaniczne

Węglik krzemu typu RB wytwarza się poprzez infiltrację stopionego krzemu w porowatą preformę węglową lub grafitową, gdzie reaguje on z węglem, tworząc SiC, i powstaje w ten sposób materiał ceramiczny o wyjątkowej odporności na zużycie, uderzenia i czynniki chemiczne, dostępny w różnych kształtach i rozmiarach — od prostych stożków i tulei po większe elementy konstrukcyjne przeznaczone dla przemysłu wydobywczego lub przetwórczego.

Skład prekursora kompozytowego, a zwłaszcza stosunek PF do FA, wpływa na szybkość reakcji między węglem a ciekłym krzemem podczas pirolizy wysokotemperaturowej. Węgiel wielofazowy ułatwia przenikanie ciekłego krzemu przez pory w porowatych preformach; źródła węgla o zróżnicowanej strukturze pomagają kontrolować zarówno zawartość b-SiC, jak i wolnego Si.

Wytrzymałość na zginanie i moduł sprężystości węglika krzemu typu RB można znacznie zwiększyć poprzez staranne dobieranie źródła węgla, co pozwala wyeliminować gładkie powierzchnie ziaren typu „czarny i biały”, które powodują pękanie międzyziarnowe podczas zginania.

Właściwości termiczne

Właściwości termiczne ceramiki z węglika krzemu spajanego reakcyjnie zależą od jej rodzaju i stopnia spajania. Węglik krzemu spajany reakcyjnie (RBSC), nasycony cząstkami krzemu metalicznego, jest wprowadzany do preform węglowych lub grafitowych, które nie ulegają skurczowi podczas tego procesu; dzięki temu można wytwarzać elementy o bardzo precyzyjnych wymiarach.

Po nasyceniu RBSC materiał poddaje się azotowaniu w wysokiej temperaturze. Powoduje to przekształcenie krzemu metalicznego w azotek SiC oraz wypełnienie wszelkich pozostałych porów materiałem o strukturze węglika krzemu. Analiza XRD wykazuje, że ta forma zawiera diament, a-SiC, b-SiC, Si i SiO₂, natomiast analiza SEM ujawnia warstwy grafitu oraz węgiel amorficzny.

Ze względu na obecność warstwy grafitu materiał RBSC wykazuje niższe wartości k niż spiekany SiC, a mimo to przewyższa je w porównaniu z NSIC. Ponadto znacznie przewyższył on ceramikę na bazie SiO₂ pod względem odporności na korozję, odporności na wysokie temperatury, odporności na szok termiczny oraz zdolności do pochłaniania szoku termicznego.

Właściwości elektryczne

Węglik krzemu otrzymywany metodą wiązania reakcyjnego charakteryzuje się doskonałymi właściwościami elektrycznymi, takimi jak niska rezystancja właściwa i wysoka przewodność cieplna. Cechy te sprawiają, że jest to doskonały materiał do produkcji elektrycznych elementów grzejnych. Ponadto jego obojętność chemiczna i odporność na utlenianie sprawiają, że nadaje się on do stosowania w termoparach piecowych, końcówkach palników, cegłach kontrolnych i muflach piecowych; jego doskonała odporność na szok termiczny sprawia również, że nadaje się on do stosowania jako elementy wyposażenia pieców.

SiC spajany reakcyjnie można uzyskać poprzez zmieszanie drobnoziarnistych, ściśle spójnych mieszanin SiC i węgla z plastyfikatorem, a następnie uformowanie i wypalenie plastyfikatora przed nasączeniem mieszanki ciekłym lub gazowym krzemem. Reakcja ta pozwala krzemowi na połączenie się z węglem, co prowadzi do powstania większej ilości węglika krzemu, który następnie reaguje z pierwotnym węglikiem krzemu, tworząc kompozyt składający się z a-SiC, b-SiC i resztkowego Si.

Uważa się, że w momencie infiltracji granulki a-SiC oraz b-SiC powstałe w trakcie reakcji są równomiernie rozproszone w całej porowatej preformie bez tworzenia się skupisk, co prawdopodobnie wynika z faktu, że kanały kapilarne nie są zablokowane przez nowo powstałe cząstki b-SiC.