Raziskovanje trajnosti silicijevega karbida v zahtevnih okoljih

Silicijev karbid je močna spojina, ki nastane s kemično reakcijo med silicijem in ogljikom pri visoki temperaturi, z izjemno trpežno kristalno strukturo, zaradi česar je primeren za uporabo v težkih okoljih.

Silicijev karbid zahteva strog nadzor kakovosti v proizvodnem procesu, da se zagotovi njegova trajnost v težkih delovnih okoljih. Raziskali bomo, kateri dejavniki vplivajo na njegovo dolgo življenjsko dobo.

Odpornost na korozijo

SiC je izredno trden in gost material, sestavljen iz različnih oblik ali politipov kristalne strukture silicijevega karbida s tetraedrično razporejenimi ogljikovimi atomi, ki tvorijo njegove plasti ali politipe, pri čemer nastajajo strukture s tetraedričnimi vezmi med ogljikovimi atomi, razporejenimi v plasteh ali politipih, ki ustvarjajo njegove edinstvene lastnosti, odporne proti koroziji. Brez tlaka sintrani silicijev karbid (C/C-SiC) je odporen na vse kisline (klorovodikovo in žveplovo), bazična topila in oksidativna okolja, kot je dušikova kislina, hkrati pa je dovolj odporen proti koroziji, da se trdni lončki iz C/C-SiC pogosto uporabljajo za obloge peči.

Korozija materialov SiC je lahko zelo zapletena in odvisna od več dejavnikov. Korozijska odpornost materialov je odvisna od njihove debeline in globine oksidne plasti, ki se razvije med oksidacijskimi procesi; poleg tega so kemični in fizikalni mehanizmi, ki so odgovorni za nastanek znane parabolične hitrosti oksidacije, še vedno nepopolno razumljeni.

Dolgoročni korozijski preskusi so potrebni za oceno vpliva korozivnih okolij na trdnost materiala. Dolgotrajna korozija lahko poveča površinske napake, ki sčasoma zmanjšajo trdnost in trajnost materialov.

Elkem je izvedel obsežne analize korozijske občutljivosti štirih vrst spojev plošč iz SiC na SiC, združenih z difuzijsko vezavo kovin z vmesnim slojem molibdena ali titana, reakcijskim sintranjem in sintranjem nanopraška SiC. Vsi vzorci so prestali pettedenske hidrotermične preskuse pri povišani temperaturi brez kontaminacije s sevanjem med pettedenskimi hidrotermičnimi preskusi pri povišani temperaturi.

Odpornost na toplotno raztezanje

Silicijev karbid (SiC) je izjemno trd sintetični material, ki je na Mohsovi lestvici nekje med aluminijevim oksidom (9) s povprečno vrednostjo 9 in diamantom (povprečno 10). SiC se uporablja kot abraziv in proti obrabi odporni deli v mehanskih aplikacijah, za ognjevarne obloge industrijskih peči in keramike, kot ognjevarni premazi na oblogah letalskih rezervoarjev za gorivo, kot ognjevarne obloge v pečeh, ki se uporabljajo v industriji, in polprevodniške elektronske naprave, ki delujejo pri visokih temperaturah.

Silicijev karbid je izjemen termomehanski keramični material z nizkim koeficientom toplotnega raztezanja, ki mu omogoča, da med hitrimi temperaturnimi nihanji ohrani svojo obliko in velikost ter poveča zanesljivost izdelkov, ki delujejo v ekstremnih okoljih.

Silicijev karbid ima izjemne mehanske lastnosti in se ponaša z veliko toplotno prevodnostjo s širokim temperaturnim območjem delovanja ter je zelo odporen proti koroziji in kemičnim vplivom, zaradi česar je primeren za uporabo v težkih pogojih v industrijah, kot so avtomobilska, letalska in vesoljska industrija ter elektronika.

V tej knjigi je predstavljena tehnologija mikrosistemov na osnovi silicijevega karbida (SiC), ki je v razsutem stanju in v tankem sloju, ter je predstavljena njegova uveljavitev kot bistvene platforme za mikrosisteme za zahtevna okolja, saj združuje izdelavo elektronskih naprav z mehanskimi napravami MEMS. Ta knjiga raziskuje tudi težave, povezane s kombiniranjem različnih postopkov in materialov v uporabne senzorske module; podrobno so raziskane zlasti temperaturna neskladja med komponentami in okoljska občutljivost SiC, medtem ko je obsežno obravnavano stanje na področju tehnologije SiC v razsutem stanju in tehnologije tankih plasti SiC.

Odpornost na obrabo

Volframov karbid (WC) je pomembna in vsestranska zlitina, ki se uporablja v številnih aplikacijah, saj jo odlikujejo izjemna trdota, visoka prevodnost, majhna toplotna razteznost in odpornost proti koroziji. Volframov karbid nastane, ko se čisti volframov prah zmeša z drugimi kovinami, kot so ogljik, nikelj ali kobalt, s postopkom, imenovanim sintranje; ko je oblikovan v oblike za posebne namene s stiskanjem in kovanjem, najpogosteje v rezalna orodja. Volframova izredna vzdržljivost sega veliko dlje kot pri drugih kovinah, ki se uporabljajo za rezalna orodja; poleg tega ga pogosto uporabljajo vojaške enote, ki uporabljajo napadalno taktiko, imenovano kinetično bombardiranje, pri kateri krogle, izstreljene neposredno proti sovražniku, prodrejo skozi oklepno zaščito in prodrejo skozi sovražnikovo obrambo.

Volframov karbid (WC) se pogosto uporablja za precizno inženirstvo zaradi svoje sposobnosti prenašanja zelo visokih hitrosti in tlakov, saj ima med vsemi kovinami najvišji Youngov modul, najtršo površino, najnižjo stopnjo toplotnega raztezanja in najboljšo odpornost proti obrabi. Poleg tega je zaradi svoje zelo velike duktilnosti primeren za oblikovanje v palice ali iztiskanje v obliki žice, kot je na primer v žarnicah z žarilno nitko.

Volframov karbid je zelo krhek in dovzeten za razpoke ali lomljenje pri močnih udarcih, zato je bolj izpostavljen udarcem kot plemenite kovine, kot sta zlato in platina. Kljub temu se še vedno pogosto uporablja v vojaških aplikacijah, kjer je odpornost na udarce ključnega pomena, kot na primer v napravi za testiranje kraterjev NCSU, kjer se uporabljajo varovalni diski iz volframovega karbida za absorpcijo udarcev izstrelkov.

Električna prevodnost

Silicijev karbid je zaradi edinstvene kombinacije keramičnih in polprevodniških lastnosti zelo prilagodljiv material, primeren za industrijsko in elektronsko uporabo. Zaradi teh lastnosti lahko elektronika iz silicijevega karbida deluje tudi v zahtevnih okoljih z visokimi temperaturami in napetostmi, ki bi običajno onemogočile pravilno delovanje druge elektronike.

Kemijsko gledano je silicijev karbid izjemno stabilen material. Odporen je na večino kislin (klorovodikovo, žveplovo in fluorovodikovo), soli in lugov, razen na koncentrirano žveplovo kislino; poleg tega ne reagira z vodo, zato je idealen material za komponente, ki so dlje časa izpostavljene tekočinam.

Silicijev karbid ima zaradi svoje atomske strukture odlične električne lastnosti. Kristalizira v tesno zapakirane strukture, ki vsebujejo kovalentno vezane plasti ogljika in silicija. Te plasti so lahko razporejene v različne konfiguracije, imenovane politipi; vsak politip se razlikuje po lastnem zaporedju zlaganja, kar omogoča nastanek različnih kristalnih struktur z edinstvenimi lastnostmi.

Silicijev karbid je zaradi številnih lastnosti v ospredju tehnoloških inovacij. Uporaba v ekstremnih in visoko zmogljivih inženirskih aplikacijah, kot so ležaji črpalk, ventili, injektorji za peskanje in iztiskalniške forme, ter izdelava polprevodniških naprav, ki delujejo v ekstremnih okoljih, lahko privede do pomembnih izboljšav v različnih panogah.