O prezentare generală a materialelor ceramice din carbură de siliciu

Carbura de siliciu este unul dintre cele mai dure și mai durabile materiale ceramice avansate, utilizat atât pentru duritatea sa ca material abraziv, cât și pentru rezistența la căldură și coeficientul scăzut de dilatare termică în refractare și aplicații ceramice.

Moissanita poate apărea și în mod natural sub forma mineralului transparent moissanite. Primele mostre sintetizate artificial au fost create în 1891, în timpul încercării lui Edward Acheson de a crea diamante artificiale; ulterior, chimistul Henri Moissan, laureat al premiului Nobel, a sintetizat artificial mai multe mostre.

Rezistență la temperaturi ridicate

Carbura de siliciu (SiC) este o ceramică neoxidantă extrem de puternică, care oferă o rezistență excepțională la coroziune și atac chimic la temperaturi ridicate. SiC este utilizat ca material de căptușeală refractară în cuptoare industriale, ca material de căptușeală refractară; discuri abrazive; unelte de tăiere; și aplicații în care rezistența este esențială, cum ar fi discuri abrazive, unelte de tăiere și aplicații de prelucrare. În plus, componentele SiC constituie piese-cheie în elementele de încălzire cu rezistență, termistoarele pentru cuptoarele electrice, precum și tuburile de căptușeală și suprafețele de etanșare care conțin SiC.

SiC este cunoscut pentru rezistența sa termică superioară și pentru rezistența la temperaturi ridicate, ceea ce îl face foarte apreciat în aplicațiile industriale. SiC rezistă la oxidare la temperaturi de până la 1000 de grade C prin crearea unui strat protector de oxid care acționează ca o barieră între suprafețele sale și elementele pe care le înconjoară; cu toate acestea, la temperaturi mai ridicate, fisurile pot penetra această barieră și disipa energia prin regiuni intercristaline sau granulare, rezultând dificultăți în creșterea rezistenței la temperaturi ridicate.

Carbura de siliciu poate fi fabricată prin două procese distincte: lipire prin reacție și sinterizare. Ambele forme au o influență semnificativă asupra microstructurii, deci asupra performanței la temperaturi ridicate. Lipirea prin reacție implică infiltrarea compactelor verzi formate din amestecuri de SiC și carbon cu siliciu lichid; astfel se creează structuri cu modificări minime ale dimensiunilor în timpul prelucrării și o suprafață extinsă. Microstructura refractară nucleu-coajă oferă caracteristici unice care au demonstrat că sporesc rezistența SiC la temperaturi ridicate.

Rezistență la temperaturi ridicate

Rezistența remarcabilă a carburii de siliciu o face o alegere excelentă pentru aplicații la temperaturi ridicate, cum ar fi plăcuțele de frână ceramice pentru automobilele de larg consum. Materialul are capacitatea de a rezista la temperaturi de până la 1400degC, menținându-și în același timp rezistența și duritatea excepționale, ceea ce face din carbura de siliciu un material ideal.

Carbura de siliciu se deosebește de alte materiale ceramice prin faptul că nu se degradează și nu se topește la temperaturi ridicate, ceea ce o face potrivită pentru utilizarea în aplicații cu solicitări ridicate, care suportă sarcini, cum ar fi rulmenții și plăcile antiglonț, fără a suferi daune structurale permanente. Acest lucru face ca carbura de siliciu să fie ideală în special pentru aplicațiile care implică niveluri ridicate de solicitare, cum ar fi rulmenții și plăcile antiglonț.

Carbura de siliciu se găsește în mod natural sub formă de moissanite, un mineral extrem de rar, în timp ce producția de carbură de siliciu sintetică satisface cerințele industriilor moderne de apărare națională, energie nucleară, tehnologie spațială și aerospațială, care necesită dimensiuni precise.

Carbura de siliciu sinterizată se mândrește cu una dintre cele mai mari conductivități termice dintre ceramicele tehnice, a doua după nitrură de aluminiu. Acest lucru poate fi atribuit structurii sale de rețea de oxigen care produce o împrăștiere mare a fononilor. Deși conductivitatea sa termică poate fi crescută în continuare cu ajutorul aditivilor oxidici în procesele de sinterizare, aceștia ar trebui menținuți la un minim absolut pentru a păstra stabilitatea structurală și rezistența la oxidare a materialului.

Coeficient scăzut de expansiune termică

Coeficientul scăzut de dilatare termică al carburii de siliciu o face materialul perfect pentru utilizarea ca material compozit cu matrice ceramică (CMC) în condiții dificile, ceea ce o face populară în aplicații precum turbinele cu gaz și ajutajele rachetelor, unde materialele trebuie să suporte temperaturi ridicate, precum și medii de șoc termic.

Rezistența la coroziune face din oțelul inoxidabil un material excelent pentru căptușelile cuptoarelor chimice industriale, unde poate rezista la temperaturi extreme păstrându-și în același timp integritatea structurală. În plus, oțelul inoxidabil oferă o mare stabilitate chimică, permițând perioade lungi de funcționare în medii lichide ostile, precum soluții acide și alcaline.

Cel mai răspândit polimorf al carburii de siliciu, forma alfa, poate fi găsit la temperaturi de peste 1700 de grade C, cu o structură cristalină wurtzită și puncte de topire de peste 1700 de grade C. Cu toate acestea, poate exista și forma beta, mai rară, cu o structură cristalină de zinc blende similară diamantului și un punct de topire mai scăzut, la 1030 de grade C. Această formă mai rară poate servi drept suport pentru catalizatori eterogeni.

Carbura de siliciu poate fi găsită sub formă de ceramică poroasă și densă. Tehnicile de producție variază foarte mult, microstructura finală depinzând de metoda de producție utilizată. SiC legat prin reacție este produs prin infiltrarea compactelor de amestec carbon-SiC cu siliciu topit care reacționează între ele pentru a forma mai mult SiC, legând compactul inițial; SiC sinterizat, cum ar fi Hexoloy, este format prin procese convenționale de formare a ceramicii înainte de a fi sinterizat la temperaturi ridicate într-o atmosferă inertă.

Duritate ridicată

Duritatea carburii de siliciu pe scara Mohs ajunge până la 9,5, situându-se pe locul al treilea după diamant și nitrură de bor. Acest lucru îl face potrivit pentru unelte de tăiere și materiale abrazive, precum și pentru fabricarea de piese rezistente la uzură la temperaturi ridicate, cum ar fi rulmenți și garnituri în aplicații din industria mecanică.

Combinația unică de proprietăți chimice stabile, conductivitate termică excelentă, coeficient scăzut de dilatare termică, duritate și rezistență mecanică a carburii de siliciu a făcut ca aceasta să fie utilizată pe scară largă în mai multe industrii, inclusiv petrol, inginerie chimică, microelectronică, automobile, aviație, fabricarea hârtiei, minerit cu laser. În plus, carbura de siliciu este utilizată, de asemenea, în domeniul protecției mediului, al electronicii informaționale și al utilizării energiei.

Carbura de siliciu (SiC) poate fi produsă prin două procedee, lipirea prin reacție și sinterizarea, ambele influențând microstructura sa finală. SiC legat prin reacție este creat de obicei prin infiltrarea compactelor formate din amestecuri de siliciu și carbon cu siliciu lichid, care apoi reacționează cu alte molecule de siliciu-carbon pentru a forma mai multe legături SiC, în timp ce SiC sinterizat este fabricat folosind tehnici convenționale de formare a ceramicii și adjuvanți de sinterizare neoxidici pentru producție.

Excelenta prelucrabilitate a carburii de siliciu o face un material excelent pentru producerea componentelor de etanșare rezistente la uzură, în special atunci când este combinată cu grafit. Această combinație oferă coeficienți de frecare mai mici decât ceramica de alumină și aliajele dure și își va menține forma în timpul valorilor PV ridicate pentru a preveni scurgerile de substanțe chimice precum alcalii și acizi în mediu.