Pregled keramičnih materialov iz silicijevega karbida

Silicijev karbid je eden najtrših in najtrdnejših naprednih keramičnih materialov, ki se uporablja zaradi svoje trdote kot abrazivni material ter toplotne odpornosti in nizkega koeficienta toplotnega raztezanja v ognjevzdržnih materialih in keramičnih aplikacijah.

Moissanit se lahko pojavi tudi v naravi kot prozoren mineral moissanit. Prvi umetno sintetizirani vzorci so bili ustvarjeni leta 1891 med poskusom Edwarda Achesona, da bi ustvaril umetne diamante; pozneje je kemik Henri Moissan, Nobelov nagrajenec, umetno sintetiziral več vzorcev.

Visoka temperaturna trdnost

Silicijev karbid (SiC) je izjemno močna neoksidna keramika, ki je izjemno odporna proti koroziji in kemičnim napadom pri povišanih temperaturah. SiC se uporablja kot ognjevarni material za obloge v industrijskih pečeh kot ognjevarni material za obloge; brusilna kolesa; rezalna orodja; in aplikacije, kjer je moč bistvena, kot so brusilna kolesa, rezalna orodja in aplikacije za strojno obdelavo. Poleg tega sestavni deli iz SiC tvorijo ključne dele v uporovnih grelnih elementih, termistorjih za električne peči ter obložnih ceveh in tesnilnih površinah, ki vsebujejo SiC.

SiC je znan po svoji izjemni toplotni odpornosti in trdnosti pri povišanih temperaturah, zato je zelo cenjen v industrijskih aplikacijah. SiC je odporen proti oksidaciji pri temperaturah do 1000 stopinj C, saj ustvari zaščitno plast oksida, ki deluje kot pregrada med njegovimi površinami in elementi, ki jih obdaja; vendar lahko pri višjih temperaturah razpoke prodrejo skozi to pregrado in razpršijo energijo prek interkristalnih ali zrnatih območij, zaradi česar je težko povečati trdnost pri povišanih temperaturah.

Silicijev karbid se lahko proizvaja z dvema različnima postopkoma: reakcijsko vezanim in sintranim. Obe obliki pomembno vplivata na njegovo mikrostrukturo in s tem na zmogljivost pri povišanih temperaturah. Reakcijsko vezanje vključuje infiltracijo zelenih kompaktov iz zmesi SiC in ogljika s tekočim silicijem; tako se ustvarijo strukture z minimalnimi spremembami dimenzij med obdelavo in z veliko površino. Ognjevzdržna mikrostruktura jedra in lupine zagotavlja edinstvene lastnosti, ki dokazano povečujejo trdnost SiC pri povišanih temperaturah.

Odpornost na visoke temperature

Silicijev karbid je zaradi svoje izjemne trdnosti odličen material za uporabo pri visokih temperaturah, kot so keramične zavorne ploščice za avtomobile. Material lahko prenese temperature do 1400 stopinj Celzija, pri tem pa še vedno ohranja izjemno trdnost in trdoto, zaradi česar je silicijev karbid idealen material.

Silicijev karbid se od drugih keramičnih materialov razlikuje po tem, da se pri visokih temperaturah ne razgradi ali stopi, zato je primeren za uporabo v visoko obremenjenih in obremenilnih aplikacijah, kot so ležaji in neprebojne plošče, ne da bi prišlo do trajnih strukturnih poškodb. Zaradi tega je silicijev karbid še posebej idealen za aplikacije z visokimi obremenitvami, kot so ležaji in neprebojne plošče.

Silicijev karbid se v naravi pojavlja kot izjemno redek mineral moissanit, medtem ko proizvodnja sintetičnega sic ustreza zahtevam sodobne nacionalne obrambe, jedrske energije, vesoljske tehnologije in vesoljske industrije, ki zahtevajo natančne dimenzije.

Spečeni silicijev karbid se ponaša z eno najvišjih toplotnih prevodnosti med tehnično keramiko, ki je druga za aluminijevim nitridom. To je mogoče pripisati njegovi kisikovi mrežasti strukturi, ki povzroča veliko razpršitev fononov. Toplotno prevodnost je sicer mogoče dodatno povečati z uporabo oksidnih dodatkov v postopkih sintranja, vendar jih je treba omejiti na najmanjšo možno mero, da se ohranita strukturna stabilnost in oksidacijska odpornost materiala.

Nizek koeficient toplotnega raztezanja

Silicijev karbid je zaradi nizkega koeficienta toplotnega raztezka odličen material za uporabo kot kompozit s keramično matrico (CMC) v težkih razmerah, zato se pogosto uporablja v aplikacijah, kot so plinske turbine in raketne šobe, kjer morajo materiali prenašati visoke temperature in toplotne sunke.

Zaradi odpornosti proti koroziji je nerjavno jeklo odlična izbira materiala za obloge kemičnih industrijskih peči, kjer lahko vzdrži ekstremne temperature, hkrati pa ohrani strukturno celovitost. Poleg tega je nerjavno jeklo zelo kemijsko stabilno in omogoča dolgotrajno delovanje v neprijaznih tekočih okoljih, kot so kisle in alkalne raztopine.

Najbolj razširjen polimorf silicijevega karbida, alfa oblika, se nahaja pri temperaturah nad 1700 stopinj C z wurtzitno kristalno strukturo in tališčem nad 1700 stopinj C. Obstaja pa tudi redkejša beta oblika s kristalno strukturo cink blende, ki je podobna diamantu, in nižjo temperaturo taljenja pri 1030 stopinjah Celzija - ta redkejša oblika lahko služi kot podpora za heterogene katalizatorje.

Silicijev karbid je mogoče najti v obliki porozne in goste keramike. Tehnike izdelave so zelo različne, končna mikrostruktura pa je odvisna od uporabljene proizvodne metode. Reakcijsko vezani SiC se proizvaja z infiltriranjem kompaktov mešanice ogljik-SiC s staljenim silicijem, ki medsebojno reagira in tvori več SiC, kar poveže prvotni kompakt; sintrani SiC, kot je Hexoloy, se oblikuje z običajnimi postopki oblikovanja keramike pred sintranjem pri visokih temperaturah v inertni atmosferi.

Visoka trdota

Trdota silicijevega karbida na Mohsovi lestvici dosega 9,5, kar ga uvršča na tretje mesto za diamantom in borovim nitridom. Zato je primeren za rezalna orodja in abrazivne materiale ter izdelavo delov, odpornih proti obrabi pri visokih temperaturah, kot so ležaji in tesnila v strojni industriji.

Silicijev karbid se zaradi edinstvene kombinacije stabilnih kemijskih lastnosti, odlične toplotne prevodnosti, nizkega koeficienta toplotne razteznosti, trdote in mehanske trdnosti široko uporablja v različnih industrijah, vključno z naftno, kemijsko, mikroelektronsko, avtomobilsko, letalsko, papirno in lasersko rudarsko. Poleg tega se silicijev karbid uporablja tudi v informacijski elektroniki za varstvo okolja in pri uporabi energije.

Silicijev karbid (SiC) se lahko proizvaja z dvema postopkoma, reakcijskim vezanjem in sintranjem, ki vplivata na njegovo končno mikrostrukturo. Reakcijsko vezani SiC običajno nastane z infiltracijo kompaktov, sestavljenih iz mešanic silicija in ogljika, s tekočim silicijem, ki nato reagira z drugimi molekulami silicija in ogljika ter tvori več vezi SiC, medtem ko je sintrani SiC izdelan z uporabo običajnih tehnik oblikovanja keramike in neoksidnih pripomočkov za sintranje za proizvodnjo.

Silicijev karbid je zaradi svoje odlične obdelovalnosti odličen material za izdelavo tesnilnih komponent, odpornih proti obrabi, zlasti v kombinaciji z grafitom. Ta kombinacija ponuja nižje koeficiente trenja kot aluminijasta keramika in trde zlitine ter ohrani svojo obliko med visokimi vrednostmi PV, da se prepreči uhajanje kemikalij, kot so alkalije in kisline, v okolje.

reakcija vezana sic

sl_SISlovenian
Pomaknite se na vrh