Обзор керамических материалов из карбида кремния

Карбид кремния - один из самых твердых и прочных современных керамических материалов, который используется как в качестве абразивного материала, так и для изготовления огнеупоров и керамических изделий с низким коэффициентом теплового расширения.

Муассанит также может встречаться в природе в виде прозрачного минерала муассанита. Первые искусственно синтезированные образцы были созданы в 1891 году во время попытки Эдварда Ачесона создать искусственные алмазы; позже химик Анри Муассан, получивший Нобелевскую премию, искусственно синтезировал еще больше образцов.

Высокотемпературная прочность

Карбид кремния (SiC) - это чрезвычайно прочная неоксидная керамика, которая обеспечивает исключительную устойчивость к коррозии и химическому воздействию при повышенных температурах. SiC находит применение в качестве огнеупорного футеровочного материала в промышленных печах, шлифовальных кругах, режущих инструментах и в тех областях, где необходима прочность, например, в шлифовальных кругах, режущих инструментах и при механической обработке. Кроме того, компоненты SiC являются ключевыми деталями в резистивных нагревательных элементах, термисторах для электрических печей, а также в футеровочных трубках и уплотнительных поверхностях, содержащих SiC.

SiC известен своей превосходной термостойкостью и прочностью при повышенных температурах, благодаря чему он высоко ценится в промышленности. SiC противостоит окислению при температурах до 1000 градусов Цельсия за счет образования оксидного защитного слоя, который действует как барьер между его поверхностями и элементами, которые они окружают; однако при более высоких температурах трещины могут проникать через этот барьер и рассеивать энергию через межкристаллические или гранулированные области, что приводит к трудностям в повышении прочности при повышенных температурах.

Карбид кремния может быть изготовлен двумя различными способами: реакционным соединением и спеканием. Обе формы оказывают значительное влияние на его микроструктуру, а значит, и на характеристики при повышенных температурах. Реакционное соединение включает в себя инфильтрацию зеленых компактов, состоящих из смеси SiC и углерода, жидким кремнием; при этом образуются структуры с минимальными изменениями размеров в процессе обработки и большой площадью поверхности. Микроструктура огнеупорного ядра-оболочки обеспечивает уникальные характеристики, которые, как было показано, повышают прочность SiC при повышенных температурах.

Устойчивость к высоким температурам

Удивительная прочность карбида кремния делает его отличным материалом для высокотемпературных применений, таких как керамические тормозные колодки для потребительских автомобилей. Материал способен выдерживать температуру до 1400 градусов Цельсия, сохраняя при этом исключительную прочность и твердость, что делает карбид кремния идеальным материалом.

Карбид кремния отличается от других керамических материалов тем, что не разрушается и не плавится при высоких температурах, что делает его пригодным для использования в высоконагруженных, несущих нагрузку приложениях, таких как подшипники и пуленепробиваемые плиты, без необратимых структурных повреждений. Это делает карбид кремния особенно идеальным для применения в условиях высоких нагрузок, таких как подшипники и пуленепробиваемые плиты.

Карбид кремния встречается в природе в виде чрезвычайно редкого минерала муассанита, а производство синтетического сика отвечает требованиям современной национальной обороны, ядерной энергетики, космических технологий и аэрокосмической промышленности, требующих точных размеров.

Спеченный карбид кремния обладает одной из самых высоких теплопроводностей среди технической керамики, уступая лишь нитриду алюминия. Это объясняется его решетчатой кислородной структурой, которая обеспечивает большое рассеяние фононов. Хотя его теплопроводность можно еще больше увеличить с помощью оксидных добавок в процессе спекания, их количество должно быть минимальным, чтобы сохранить структурную стабильность и устойчивость материала к окислению.

Низкий коэффициент теплового расширения

Низкий коэффициент теплового расширения карбида кремния делает его идеальным материалом для использования в качестве керамического матричного композита (КМК) в суровых условиях, благодаря чему он широко применяется в таких областях, как газовые турбины и ракетные сопла, где материалы должны выдерживать высокие температуры, а также термические удары.

Устойчивость к коррозии делает нержавеющую сталь отличным выбором материала для футеровки химических промышленных печей, где она может выдерживать экстремальные температуры, сохраняя при этом свою структурную целостность. Кроме того, нержавеющая сталь обладает высокой химической стабильностью, позволяющей длительное время работать в агрессивных жидких средах, таких как кислотные и щелочные растворы.

Наиболее распространенный полиморф карбида кремния, альфа-форма, встречается при температурах выше 1700 градусов Цельсия, имеет вюрцитовую кристаллическую структуру и температуру плавления выше 1700 градусов Цельсия. Однако существует и более редкая бета-форма с кристаллической структурой цинк-бленде, похожей на алмаз, и более низкой температурой плавления - 1030 градусов Цельсия - которая может служить опорой для гетерогенных катализаторов.

Карбид кремния может быть представлен как в виде пористой, так и плотной керамики. Технологии производства сильно различаются, и конечная микроструктура зависит от используемого метода производства. Реакционно-связанный SiC производится путем инфильтрации компактов смеси углерода и SiC расплавленным кремнием, который реагирует друг с другом, образуя больше SiC, скрепляя первоначальный компакт; спеченный SiC, такой как Hexoloy, формируется в ходе обычных процессов формования керамики перед спеканием при высоких температурах в инертной атмосфере.

Высокая твердость

Твердость карбида кремния по шкале Мооса достигает 9,5, что ставит его на третье место после алмаза и нитрида бора. Это делает его пригодным для изготовления режущих инструментов и абразивных материалов, а также высокотемпературных износостойких деталей, таких как подшипники и уплотнения в машиностроении.

Уникальное сочетание стабильных химических свойств, отличной теплопроводности, низкого коэффициента теплового расширения, твердости и механической прочности карбида кремния позволило ему найти широкое применение в различных отраслях промышленности, включая нефтяную, химическую, микроэлектронную, автомобильную, авиационную, бумагоделательную, лазерную и горнодобывающую. Кроме того, карбид кремния находит применение в информационной электронике для защиты окружающей среды и в энергетике.

Карбид кремния (SiC) может быть произведен с помощью двух процессов - реакционного связывания и спекания, оба из которых влияют на его конечную микроструктуру. Реакционно связанный SiC обычно создается путем инфильтрации компактов, состоящих из смеси кремния и углерода, жидким кремнием, который затем реагирует с другими молекулами кремния и углерода, образуя больше связей SiC, а спеченный SiC производится с использованием обычных технологий формования керамики и неоксидных агентов спекания для производства.

Отличная обрабатываемость карбида кремния делает его превосходным материалом для производства износостойких уплотнительных компонентов, особенно в сочетании с графитом. Такое сочетание обеспечивает более низкий коэффициент трения по сравнению с алюмооксидной керамикой и твердыми сплавами и сохраняет свою форму при высоких значениях PV, предотвращая утечку химических веществ, таких как щелочи и кислоты, в окружающую среду.