Prehľad keramických materiálov z karbidu kremíka

Karbid kremíka patrí medzi najtvrdšie a najodolnejšie moderné keramické materiály, ktoré sa využívajú jednak pre svoju tvrdosť ako brúsny materiál, jednak pre tepelnú odolnosť a nízky koeficient tepelnej rozťažnosti v žiaruvzdorných materiáloch a keramických aplikáciách.

Moissanit sa môže vyskytovať aj v prírode ako priehľadný minerál moissanit. Prvé umelo syntetizované vzorky vznikli v roku 1891 počas pokusov Edwarda Achesona o vytvorenie umelých diamantov; neskôr umelo syntetizoval ďalšie vzorky chemik Henri Moissan, nositeľ Nobelovej ceny.

Pevnosť pri vysokých teplotách

Karbid kremíka (SiC) je mimoriadne pevná neoxidová keramika, ktorá ponúka výnimočnú odolnosť proti korózii a chemickému pôsobeniu pri zvýšených teplotách. SiC sa využíva ako žiaruvzdorný obkladový materiál v priemyselných peciach, ako aj v brúsnych kotúčoch, rezných nástrojoch a v aplikáciách, kde je pevnosť kľúčová, napríklad v brúsnych kotúčoch, rezných nástrojoch a pri obrábaní. Okrem toho sú komponenty z SiC kľúčovými súčasťami odporových vykurovacích prvkov, termistorov pre elektrické pece, ako aj výstelkových rúrok a tesniacich plôch obsahujúcich SiC.

SiC je známy svojou vynikajúcou tepelnou odolnosťou a pevnosťou pri zvýšených teplotách, vďaka čomu je veľmi cenený v priemyselných aplikáciách. SiC odoláva oxidácii pri teplotách až do 1000 °C vytváraním ochranného oxidového povlaku, ktorý pôsobí ako bariéra medzi jeho povrchmi a prvkami, ktoré obklopuje; pri vyšších teplotách však môžu trhliny preniknúť cez túto bariéru a odvádzať energiu cez medzikryštalické alebo zrnité oblasti, čo spôsobuje ťažkosti so zvyšovaním pevnosti pri zvýšených teplotách.

Karbid kremíka sa dá vyrábať dvoma odlišnými postupmi: reakčným spájaním a spekaním. Obe formy majú významný vplyv na jeho mikrostruktúru, a tým aj na jeho vlastnosti pri zvýšených teplotách. Reakčné spájanie spočíva v infiltrácii surových lisovancov, zložených zo zmesí SiC a uhlíka, tekutým kremíkom; tým vznikajú štruktúry s minimálnou zmenou rozmerov počas spracovania a s rozsiahlou povrchovou plochou. Žiaruvzdorná mikrostruktúra typu „core-shell“ poskytuje jedinečné vlastnosti, o ktorých sa preukázalo, že zvyšujú pevnosť SiC pri zvýšených teplotách.

Odolnosť voči vysokým teplotám

Vďaka svojej pozoruhodnej pevnosti je karbid kremíka vynikajúcou voľbou materiálu pre vysokoteplotné aplikácie, ako sú napríklad keramické brzdové doštičky pre osobné automobily. Tento materiál je schopný odolávať teplotám až do 1400 °C a pritom si zachováva svoju výnimočnú pevnosť a tvrdosť, čo z neho robí ideálny materiál.

Karbid kremíka sa od ostatných keramických materiálov odlišuje tým, že sa pri vysokých teplotách nerozkladá ani netaví, vďaka čomu je vhodný na použitie v aplikáciách s vysokým namáhaním a zaťažením, ako sú ložiská a nepriestrelné platne, bez toho, aby došlo k trvalému poškodeniu štruktúry. Vďaka tomu je karbid kremíka obzvlášť ideálny pre aplikácie s vysokým zaťažením, ako sú ložiská a nepriestrelné platne.

Karbid kremíka sa v prírode vyskytuje ako mimoriadne vzácny minerál moissanit, zatiaľ čo výroba syntetického karbidu kremíka uspokojuje potreby moderného obranného priemyslu, jadrovej energetiky, kozmickej techniky a leteckého a kozmického priemyslu, ktoré vyžadujú presné rozmery.

Spečený karbid kremíka sa pýši jednou z najvyšších hodnôt tepelnej vodivosti spomedzi technických keramík, pričom ho predstihuje už len nitrid hliníka. Toto možno pripísať jeho mriežkovej štruktúre s kyslíkom, ktorá spôsobuje výrazné rozptylovanie fonónov. Hoci je možné jeho tepelnú vodivosť ďalej zvýšiť použitím oxidových prísad v procesoch spekania, ich množstvo by sa malo obmedziť na absolútne minimum, aby sa zachovala štrukturálna stabilita a odolnosť materiálu voči oxidácii.

Nízky koeficient tepelnej rozťažnosti

Vďaka nízkej hodnote koeficientu tepelnej rozťažnosti je karbid kremíka ideálnym materiálom na použitie v kompozitoch s keramickou matricou (CMC) v náročných podmienkach, čo vedie k jeho častému využívaniu v aplikáciách, ako sú plynové turbíny a trysky raketových motorov, kde musia materiály odolávať vysokým teplotám aj teplotným šokom.

Vďaka odolnosti proti korózii je nehrdzavejúca oceľ vynikajúcou voľbou materiálu pre výstelky priemyselných pecí v chemickom priemysle, kde dokáže odolávať extrémnym teplotám a zároveň si zachovávať svoju konštrukčnú integritu. Okrem toho nehrdzavejúca oceľ ponúka vynikajúcu chemickú stabilitu, čo umožňuje dlhodobú prevádzku v agresívnych kvapalných prostrediach, ako sú kyslé a zásadité roztoky.

Najrozšírenejší polymorf karbidu kremíka, alfa forma, sa vyskytuje pri teplotách nad 1700 °C s kryštálovou štruktúrou typu wurtzitu a bodom topenia nad 1700 °C. Existuje však aj zriedkavejšia beta forma s kryštálovou štruktúrou zinkblendy, podobnou diamantu, a nižším bodom topenia 1030 °C – táto zriedkavejšia forma môže slúžiť ako nosič pre heterogénne katalyzátory.

Karbid kremíka sa vyskytuje ako porézna, tak aj hustá keramika. Výrobné techniky sa značne líšia a konečná mikrostruktúra závisí od použitej výrobnej metódy. Reakčne viazaný SiC sa vyrába infiltráciou lisovaných telies zo zmesi uhlíka a SiC roztaveným kremíkom, ktoré spolu reagujú a vytvárajú ďalší SiC, čím sa spoja pôvodné lisované telesá; spekaný SiC, ako napríklad Hexoloy, sa vytvára prostredníctvom bežných keramických formovacích procesov a následne sa speká pri vysokých teplotách v inertnej atmosfére.

Vysoká tvrdosť

Tvrdosť karbidu kremíka na Mohsovej stupnici dosahuje hodnotu až 9,5, čím sa zaraďuje na tretie miesto hneď za diamantom a nitridom bóru. Vďaka tomu je vhodný na výrobu rezných nástrojov a brúsnych materiálov, ako aj na výrobu vysokoteplotných dielov odolných proti opotrebeniu, ako sú ložiská a tesnenia, v aplikáciách strojárskeho priemyslu.

Vďaka jedinečnej kombinácii stabilných chemických vlastností, vynikajúcej tepelnej vodivosti, nízkeho koeficientu tepelnej rozťažnosti, tvrdosti a mechanickej pevnosti sa karbid kremíka široko využíva v mnohých odvetviach, medzi ktoré patria ropný priemysel, chemické inžinierstvo, mikroelektronika, automobilový priemysel, letecký priemysel, papierenský priemysel, laserová technika a ťažba nerastných surovín. Okrem toho sa karbid kremíka využíva aj v oblasti ochrany životného prostredia, informačnej elektroniky a v aplikáciách zameraných na využívanie energie.

Karbid kremíka (SiC) je možné vyrábať dvoma spôsobmi – reakčným spájaním a spekaním –, pričom oba postupy ovplyvňujú jeho konečnú mikrostruktúru. Reakčne spájaný SiC sa zvyčajne vyrába infiltráciou lisovaných telies pozostávajúcich zo zmesí kremíka a uhlíka tekutým kremíkom, ktorý následne reaguje s ďalšími molekulami kremíka a uhlíka a vytvára tak ďalšie väzby SiC, zatiaľ čo spekaný SiC sa vyrába pomocou bežných techník formovania keramiky a neoxidových spekacích prísad.

Vďaka svojej vynikajúcej obrobiteľnosti je karbid kremíka vynikajúcim materiálom na výrobu odolných tesniacich komponentov, najmä v kombinácii s grafitom. Táto kombinácia ponúka nižšie koeficienty trenia ako keramika z oxidu hlinitého a tvrdé zliatiny a zachová si svoj tvar aj pri vysokých hodnotách PV, čím zabráni úniku chemikálií, ako sú lúhy a kyseliny, do životného prostredia.