Исследование долговечности карбида кремния в агрессивных средах

Карбид кремния - это прочное соединение, образующееся в результате высокотемпературной химической реакции между кремнием и углеродом, с чрезвычайно прочной кристаллической структурой, что позволяет использовать его в суровых условиях.

Карбид кремния требует строгого контроля качества в процессе производства, чтобы обеспечить его долговечность в суровых условиях эксплуатации. Мы рассмотрим, какие факторы влияют на его долговечность.

Устойчивость к коррозии

SiC - это чрезвычайно твердый, плотный материал, состоящий из различных форм или политипов кристаллической структуры карбида кремния с тетраэдрически расположенными атомами углерода, образующими его слои или политипы, создающие структуры с тетраэдрическими связями между атомами углерода, расположенными в виде слоев или политипов, которые создают его уникальные антикоррозийные качества. Спеченный без давления карбид кремния (C/C-SiC) устойчив ко всем кислотам (соляной и серной), щелочным растворителям и окислительным средам, таким как азотная кислота, оставаясь при этом достаточно коррозионностойким, чтобы твердые тигли из C/C-SiC часто использовались в качестве футеровки печей.

Коррозия SiC-материалов может быть чрезвычайно сложной, зависящей от множества факторов. Коррозионная стойкость материалов зависит от их толщины и глубины оксидного слоя, который образуется в процессе окисления; кроме того, химические и физические механизмы, ответственные за возникновение знаменитой параболической скорости окисления, остаются не до конца понятными.

Длительные коррозионные испытания необходимы для оценки влияния коррозионной среды на прочность материала. Длительная коррозия может привести к увеличению поверхностных дефектов, которые со временем снижают прочность и долговечность материалов.

Компания Elkem провела обширный анализ коррозионной чувствительности четырех типов соединений пластин SiC с SiC, соединенных с помощью диффузионного соединения металлов с молибденовой или титановой прослойкой, реакционного спекания и спекания нанопорошка SiC. Все образцы выдержали пятинедельные гидротермические испытания при повышенной температуре без радиационного загрязнения в ходе пятинедельных гидротермических испытаний при повышенной температуре.

Сопротивление тепловому расширению

Карбид кремния (SiC) - чрезвычайно твердый синтетический материал, находящийся по шкале Мооса между глиноземом (9), в среднем 9 баллов, и алмазом (в среднем 10 баллов). SiC находит применение в качестве абразивов и износостойких деталей в машиностроении; для огнеупорной футеровки промышленных печей и керамики; в качестве огнеупорных покрытий на футеровке топливных баков самолетов; в качестве огнеупорной футеровки промышленных печей и полупроводниковых электронных устройств, работающих при высоких температурах.

Карбид кремния - замечательный термомеханический керамический материал с низким коэффициентом теплового расширения, что позволяет ему сохранять форму и размеры при резких перепадах температур и делает изделия, работающие в экстремальных условиях, более надежными.

Карбид кремния обладает исключительными механическими свойствами и отличной теплопроводностью в широком диапазоне рабочих температур, а также высокой устойчивостью к коррозии и химическому воздействию, что делает его пригодным для применения в жестких условиях эксплуатации в таких отраслях, как автомобильная, аэрокосмическая и электронная промышленность.

В этой книге представлены технологии микросистем на основе объемного и тонкопленочного карбида кремния (SiC), рассказывается о его становлении в качестве важной платформы для микросистем, работающих в жестких условиях, благодаря сочетанию производства электронных устройств с механическими MEMS-устройствами. В книге также исследуются трудности, возникающие при объединении различных процессов и материалов в пригодные для использования сенсорные модули; в частности, подробно рассматривается температурное несоответствие между компонентами, а также чувствительность SiC к воздействию окружающей среды, при этом подробно обсуждается состояние техники как в технологии объемных материалов SiC, так и в технологии тонких пленок SiC.

Износостойкость

Карбид вольфрама (WC) - важный и универсальный сплав, используемый в различных областях, отличающийся высокой твердостью, высокой проводимостью, низким тепловым расширением и устойчивостью к коррозии. Карбид вольфрама создается при смешивании чистого вольфрамового порошка с другими металлами, такими как углерод, никель или кобальт, с помощью процесса, называемого спеканием; после этого он формируется в формы для конкретного использования путем прессования и ковки, чаще всего для режущих инструментов. Чрезвычайная прочность вольфрама простирается гораздо дальше, чем у других металлов, используемых для режущих инструментов; кроме того, он часто используется военными подразделениями, использующими тактику нападения под названием кинетическая бомбардировка, где пули, выпущенные непосредственно против врагов, пробивают бронезащиту и проникают в оборону противника.

Карбид вольфрама (WC) широко используется в точном машиностроении благодаря своей способности выдерживать очень высокие скорости и давления, обладая самым высоким модулем Юнга, самой твердой поверхностью, самым низким коэффициентом теплового расширения и лучшей износостойкостью среди всех металлов. Кроме того, пластичность WC позволяет ему быть сформированным в стержни или экструдированным в виде проволоки, как, например, в лампах накаливания.

Карбид вольфрама, как известно, хрупок и подвержен растрескиванию или разрушению при сильных ударах, что делает его более уязвимым для ударов, чем драгоценные металлы, такие как золото и платина. Тем не менее, он по-прежнему широко используется в военных целях, где очень важна ударопрочность, как, например, в кратерном испытательном центре NCSU, где используются буферные диски из карбида вольфрама для поглощения ударов снарядов.

Электропроводность

Уникальная комбинация керамических и полупроводниковых свойств карбида кремния делает его весьма адаптируемым материалом, пригодным для использования в промышленности и электронике. Благодаря этим свойствам электроника из карбида кремния может работать даже в суровых условиях с высокими температурами и уровнями напряжения, которые обычно не позволяют другим электронным устройствам функционировать должным образом.

С химической точки зрения карбид кремния - невероятно стабильный материал. Он устойчив к большинству кислот (соляной, серной и плавиковой), солей и щелочей, за исключением концентрированной серной кислоты; кроме того, он не реагирует с водой, что делает его идеальным выбором материала для компонентов, требующих длительного воздействия жидкости.

Карбид кремния обладает превосходными электрическими свойствами благодаря своей атомной структуре. Он кристаллизуется в виде плотно упакованных структур, содержащих ковалентно связанные слои углерода и кремния. Эти слои могут быть расположены в различных конфигурациях, называемых политипами; каждый политип отличается своей последовательностью укладки, что приводит к появлению различных кристаллических структур, каждая из которых обладает уникальными свойствами.

Многочисленные свойства карбида кремния ставят его в авангард технологических инноваций. Использование в экстремальных и высокопроизводительных инженерных приложениях, таких как подшипники насосов, клапаны, пескоструйные форсунки и экструзионные фильеры, а также изготовление полупроводниковых устройств, работающих в экстремальных условиях, может привести к значительным улучшениям в различных отраслях промышленности.