Spekaný karbid kremíka

Karbid kremíka je nenahraditeľný konštrukčný keramický materiál vďaka svojej výnimočnej pevnosti pri vysokých teplotách a odolnosti voči oxidácii, vďaka čomu je nenahraditeľný v oblasti strojárskej výroby, leteckej techniky a informačnej elektroniky.

Reakčné spekanie ponúka nízke teploty a krátke časy spekania pri výrobe tvarov blízkych čistej veľkosti, ale je obmedzené nerovnomerným rozložením hustoty, praskaním spekaných výrobkov a nedostatočnou penetráciou kremíka počas procesov spekania.

Pevnosť pri vysokých teplotách

Karbid kremíka je extrémne tvrdý a húževnatý keramický materiál známy svojou vynikajúcou pevnosťou pri vysokých teplotách, odolnosťou proti opotrebovaniu a chemickej oxidácii. Vďaka týmto vlastnostiam sa karbid kremíka používa v mnohých priemyselných aplikáciách vrátane jadrových elektrární, pecí, prúdových motorov, raketových dýz a výroby papiera.

Jedným zo spôsobov zlepšenia mechanických vlastností spekaného karbidu kremíka pri vysokých teplotách je pridanie prísad, ako je hliník, bór a uhlík (SiC-ABC), ktoré zvyšujú odolnosť proti tečeniu. Tieto prísady menia energie na hraniciach zŕn a povrchové energie, pričom zvyšujú objemovú difúziu a odrádzajú od tvorby skla na hraniciach zŕn.

Ďalším spôsobom, ako zvýšiť mechanické vlastnosti, je beztlakové spekanie, ktoré zahŕňa spekanie SiC prášku bez použitia vonkajšieho tlaku. Výhoda tejto metódy spočíva v eliminácii odchýlok hustoty spôsobených tradičnými metódami spekania lisovaním za tepla, ktoré majú za následok výrazné rozmerové zmeny a zníženú kvalitu výrobku - zároveň sa pri nej dosahujú hustoty bližšie k teoretickým hodnotám ako kedykoľvek predtým.

Odolnosť voči korózii pri vysokých teplotách

Karbid kremíka vykazuje vynikajúcu odolnosť voči chemickej korózii v širokom rozsahu prostredí až do 1700 stupňov C, ako je suchý kyslík, horúce plynné pary a kvapalné soli a kovy, ako aj roztavené soli a trosky uhoľného popola.

Spekaný karbid kremíka má vďaka svojej štruktúre a kvalite povrchu vynikajúcu odolnosť proti korózii. Tento materiál sa môže pochváliť silnou odolnosťou proti erózii (kĺzaniu), mechanickej pevnosti, tepelným šokom a opotrebovaniu.

Vysokoteplotný spekaný materiál z karbidu kremíka XICAR (bežne označovaný ako alternatíva Hexoloy SE) sa ukázal ako vysoko odolný voči chemickej korózii v kyslých prostrediach, ako sú koncentrovaná HCl a HNO3, pričom vzorky ošetrené Y2O3 majú vyššiu odolnosť ako vzorky, pri ktorých sa použila pomocná látka MgO.

Reakčne viazaný spekaný karbid kremíka, bežne označovaný ako samoviazaný karbid kremíka, sa vyrába reakciou porézneho keramického telesa obsahujúceho uhlík s tekutým kremíkom. Táto zmes preniká do keramického telesa, reaguje s grafitom za vzniku b-SiC a potom sa spája s existujúcimi časticami a-SiC, aby sa vytvoril reakčne spekaný karbid kremíka s plnou hustotou a rôznymi tvarmi, ktoré sú týmto procesom dostupné.

Vysoká pevnosť

Karbid kremíka je jedným z najpevnejších keramických materiálov. Karbid kremíka sa vyznačuje vynikajúcou pevnosťou pri vysokých teplotách a odolnosťou voči oxidácii, preto je vynikajúcou voľbou materiálu na použitie v mnohých priemyselných aplikáciách.

Keramiku z karbidu kremíka možno zvyčajne vyrábať buď beztlakovým spekaním, alebo reakčným spájaním a spoločnosť Saint-Gobain Performance Ceramics & Refractories ponúka oba typy, ktoré vyhovujú rôznym konečným aplikáciám.

Beztlakový spekaný karbid kremíka sa vyrába kombináciou jemných častíc SiC prášku s neoxidovými spekanými pomocnými látkami a spekaním pri teplotách vyšších ako 2000 °C v inertnej atmosfére, čím sa získava materiál s vysokou hustotou, vynikajúcou odolnosťou proti oxidácii, korózii a mechanickými vlastnosťami.

Reakčné spekanie je novým procesom výroby keramiky z karbidu kremíka (SiC), ktorý ponúka výhody, ako sú husté štruktúry, nižšie teploty spracovania, tvarové možnosti, nízke náklady a vyššia čistota. Nanešťastie však jeho pevnosť v ohybe nedosahuje pevnosť štandardného spekaného SiC v dôsledku veľkosti zvyškového uhlíka (Si) v jeho mikroštruktúre.

Vysoká húževnatosť

Keramika zo spekaného karbidu kremíka patrí medzi najtvrdšie a najpevnejšie keramické materiály, pričom si zachováva pevnosť aj pri extrémne vysokých teplotách - je teda vynikajúcou voľbou pre aplikácie, kde je kľúčová odolnosť voči vysokým teplotám.

SSIC vykazuje takmer konštantnú pevnosť v širokom rozsahu teplôt a zachováva si svoju húževnatosť aj pri vysokom tlaku, vďaka čomu je veľmi obľúbenou voľbou materiálu pre vysoko výkonné komponenty čerpadiel a iné dôležité časti zariadení.

SSIC sa vyrábajú bežnými technikami tvarovania keramiky. Po vytvarovaní do požadovaného tvaru sa SSIC speká pri vysokej teplote a tlaku v atmosfére inertného plynu.

Spekanie možno rozdeliť na dve odlišné fázy, spekanie v tuhej fáze a spekanie v kvapalnej fáze. Spekanie v pevnej fáze si vyžaduje pridávanie C a B ako spekalcov na zníženie energie na hranici zŕn keramiky SiC, zatiaľ čo kvapalná fáza využíva ako činidlo jeden alebo viac eutektických oxidov prvkov (ako napríklad Y2O3), čím sa vytvára elektrolytická fáza s pohybom, difúziou a prenosom hmoty medzi časticami oxidu kremičitého na zhutnenie hustoty materiálu.