Kiselkarbid är ett av de hårdaste och mest hållbara avancerade keramiska materialen och används både för sin hårdhet som slipmaterial och för sin värmebeständighet och låga värmeutvidgningskoefficient i eldfasta material och keramiska applikationer.
Moissanit kan också förekomma naturligt som det transparenta mineralet moissanit. De första artificiellt syntetiserade proverna skapades 1891 under Edward Achesons försök att skapa konstgjorda diamanter; senare syntetiserade den nobelprisbelönta kemisten Henri Moissan artificiellt fler prover.
Hållfasthet vid höga temperaturer
Kiselkarbid (SiC) är en extremt stark nonoxidkeramik som erbjuder exceptionellt motstånd mot korrosion och kemiska angrepp vid förhöjda temperaturer. SiC används som eldfast infodringsmaterial i industriugnar som eldfast infodringsmaterial, slipskivor, skärverktyg och applikationer där styrka är avgörande, t.ex. slipskivor, skärverktyg och bearbetningsapplikationer. Dessutom utgör SiC-komponenter viktiga delar i motståndsvärmeelement, termistorer för elektriska ugnar samt foderrör och tätningsytor som innehåller SiC.
SiC är känt för sin överlägsna värmebeständighet och styrka vid förhöjda temperaturer, vilket gör det mycket uppskattat i industriella tillämpningar. SiC motstår oxidation vid temperaturer upp till 1000 grader C genom att skapa ett skyddande oxidskikt som fungerar som en barriär mellan dess ytor och de element de omger; vid högre temperaturer kan dock sprickor tränga igenom denna barriär och avleda energi via interkristallina eller granulära områden vilket resulterar i svårigheter att öka hållfastheten vid förhöjda temperaturer.
Kiselkarbid kan tillverkas genom två olika processer: reaktionsbunden och sintrad. Båda formerna har betydande inverkan på dess mikrostruktur och därmed prestanda vid förhöjda temperaturer. Reaktionsbindning innebär att gröna kompakter bestående av blandningar av SiC och kol infiltreras med flytande kisel; detta skapar strukturer med minimal dimensionsförändring under bearbetning och en expansiv yta. Den eldfasta kärn-skal-mikrostrukturen ger unika egenskaper som har visat sig öka SiC:s hållfasthet vid förhöjda temperaturer.
Motståndskraft mot höga temperaturer
Kiselkarbidens anmärkningsvärda styrka gör det till ett utmärkt materialval för högtemperaturapplikationer, t.ex. keramiska bromsbelägg för konsumentbilar. Materialet klarar temperaturer på upp till 1400degC samtidigt som det bibehåller sin exceptionella styrka och hårdhet, vilket gör kiselkarbid till ett idealiskt material.
Kiselkarbid skiljer sig från andra keramiska material genom att inte brytas ned eller smälta vid höga temperaturer, vilket gör det lämpligt för användning i högbelastade, lastbärande applikationer som lager och skottsäkra plattor utan att det uppstår permanenta strukturella skador. Detta gör kiselkarbid särskilt idealiskt för applikationer med höga belastningsnivåer, t.ex. lager och skottsäkra plåtar.
Kiselkarbid förekommer naturligt som det extremt sällsynta mineralet moissanit, medan syntetisk kiselkarbidproduktion uppfyller kraven från moderna nationella försvars-, kärnkrafts-, rymdteknik- och flygindustrier som kräver exakta dimensioner.
Sintrad kiselkarbid har en av de högsta värmeledningsförmågorna bland tekniska keramer, näst efter aluminiumnitrid. Detta kan tillskrivas dess gitterstruktur av syre som ger stor spridning av fononer. Även om dess värmeledningsförmåga kan ökas ytterligare med hjälp av oxidtillsatser i sintringsprocesser, bör dessa hållas till ett absolut minimum för att bevara materialets strukturella stabilitet och oxidationsbeständighet.
Låg termisk expansionskoefficient
Kiselkarbidens låga värmeutvidgningskoefficient gör det till ett perfekt material för användning som keramisk matriskomposit (CMC) under tuffa förhållanden, vilket gör det populärt i applikationer som gasturbiner och raketmunstycken där materialen måste klara höga temperaturer och termiska chocker.
Korrosionsbeständighet gör rostfritt stål till ett utmärkt materialval för ugnsinfodringar i kemisk industri, där det tål extrema temperaturer samtidigt som det behåller sin strukturella integritet. Dessutom har rostfritt stål hög kemisk stabilitet, vilket möjliggör långa driftperioder i fientliga vätskemiljöer som sura och alkaliska lösningar.
Kiselkarbidens mest utbredda polymorf, alfaformen, kan hittas vid temperaturer över 1700 grader med en wurtzitkristallstruktur och smältpunkter över 1700 grader. Det finns dock även en mer sällsynt betaform med en zinkblendekristallstruktur som liknar diamant och en lägre smältpunkt på 1030 grader - denna mer sällsynta form kan fungera som stöd för heterogena katalysatorer.
Kiselkarbid finns som både porös och tät keramik. Produktionsteknikerna varierar stort och den slutliga mikrostrukturen beror på vilken produktionsmetod som används. Reaktionsbunden SiC produceras genom att kompakter av kol-SiC-blandning infiltreras med smält kisel som reagerar med varandra för att bilda mer SiC och binda samman den ursprungliga kompakten; sintrad SiC, som Hexoloy, bildas genom konventionella keramiska formningsprocesser innan den sintras vid höga temperaturer under en inert atmosfär.
Hög hårdhet
Kiselkarbid har en hårdhet på Mohs skala på upp till 9,5, vilket placerar den på tredje plats efter diamant och bornitrid. Detta gör den lämplig för skärverktyg och slipande material samt för tillverkning av slitstarka delar för höga temperaturer, t.ex. lager och tätningar i mekaniska industriapplikationer.
Kiselkarbidens unika kombination av stabila kemiska egenskaper, utmärkt värmeledningsförmåga, låg värmeutvidgningskoefficient, hårdhet och mekanisk styrka har lett till att den används i stor utsträckning inom flera industrier, inklusive petroleum, kemiteknik, mikroelektronik, bilar, flyg, papperstillverkning, lasergruvdrift. Dessutom används kiselkarbid också i applikationer för miljöskydd, informationselektronik och energianvändning.
Kiselkarbid (SiC) kan tillverkas med hjälp av två processer, reaktionsbindning och sintring, som båda kommer att påverka dess slutliga mikrostruktur. Reaktionsbunden SiC skapas vanligtvis genom att kompakter bestående av blandningar av kisel och kol infiltreras med flytande kisel som sedan reagerar med andra kisel-kolmolekyler för att bilda fler SiC-bindningar, medan sintrad SiC tillverkas med hjälp av konventionella keramiska formningstekniker och icke-oxidiska sintringshjälpmedel för produktion.
Kiselkarbidens utmärkta bearbetbarhet gör det till ett utmärkt material för tillverkning av slitstarka tätningskomponenter, särskilt i kombination med grafit. Denna kombination ger lägre friktionskoefficienter än aluminiumoxidkeramik och hårda legeringar och behåller sin form under höga PV-värden för att förhindra läckage av kemikalier som alkalier och syror till miljön.