Дослідження довговічності карбіду кремнію в суворих умовах експлуатації

Карбід кремнію - це міцна сполука, що утворюється в результаті високотемпературної хімічної реакції між кремнієм і вуглецем, з надзвичайно міцною кристалічною структурою, що робить його придатним для використання в суворих умовах.

Карбід кремнію вимагає суворого контролю якості під час виробництва, щоб забезпечити його довговічність у суворих робочих умовах. Ми розглянемо, які фактори впливають на його довговічність.

Стійкість до корозії

SiC - надзвичайно твердий, щільний матеріал, що складається з різних форм або політипів кристалічної структури карбіду кремнію з атомами вуглецю, розташованими тетраедрично, які утворюють його шари або політипи, створюючи структури з атомами вуглецю, розташованими тетраедрично, зв'язки між атомами вуглецю, розташованими у вигляді шарів або політипів, які створюють його унікальні корозійно-стійкі якості. Спечений без тиску карбід кремнію (C/C-SiC) стійкий до всіх кислот (соляної та сірчаної), лугів, розчинників та окислювальних середовищ, таких як азотна кислота, залишаючись при цьому достатньо стійким до корозії, тому суцільні тиглі, виготовлені з C/C-SiC, часто використовуються для футерування печей.

Корозія SiC матеріалів може бути надзвичайно складним процесом, що залежить від багатьох факторів. Корозійна стійкість матеріалів залежить від їхньої товщини та глибини оксидного шару, який утворюється в процесі окислення; крім того, хімічні та фізичні механізми, відповідальні за створення знаменитої параболічної швидкості окислення, залишаються не до кінця зрозумілими.

Довготривалі корозійні випробування необхідні для оцінки впливу корозійного середовища на міцність матеріалу. Тривала корозія може збільшити поверхневі дефекти, які з часом знижують міцність і довговічність матеріалів.

Компанія Elkem провела детальний аналіз корозійної чутливості чотирьох типів з'єднань пластин SiC з пластинами SiC, з'єднаних за допомогою металевого дифузійного з'єднання з молібденовим або титановим прошарком, реакційного спікання та спікання нанопорошку SiC. Всі зразки витримали п'ятитижневі гідротермічні випробування при підвищеній температурі без радіаційного забруднення під час п'ятитижневих гідротермічних випробувань при підвищеній температурі.

Опір тепловому розширенню

Карбід кремнію (SiC) - це надзвичайно твердий синтетичний матеріал, який за шкалою Мооса знаходиться десь між глиноземом (в середньому 9) і алмазом (в середньому 10). SiC використовується як абразив і зносостійкі деталі в машинобудуванні; для вогнетривкої футеровки промислових печей і кераміки; як вогнетривке покриття на обшивці паливних баків літаків; як вогнетривка футеровка в печах, що використовуються в промисловості; і в напівпровідникових електронних пристроях, що працюють при високих температурах.

Карбід кремнію - чудовий термомеханічний керамічний матеріал з низьким коефіцієнтом теплового розширення, що дозволяє йому зберігати форму і розміри при різких коливаннях температури і робить вироби, які працюють в екстремальних умовах, більш надійними.

Карбід кремнію має виняткові механічні властивості і може похвалитися високою теплопровідністю в широкому діапазоні робочих температур, а також високою стійкістю до корозії і хімічних впливів, що робить його придатним для застосування в суворих умовах в таких галузях, як автомобілебудування, аерокосмічна промисловість та електроніка.

У цій книзі представлено технологію мікросистем на основі об'ємного та тонкоплівкового карбіду кремнію (SiC), висвітлено її становлення як важливої платформи для мікросистем, призначених для роботи в жорстких умовах, завдяки поєднанню виробництва електронних пристроїв з механічними пристроями MEMS. У цій книзі також досліджуються труднощі, пов'язані з поєднанням різних процесів і матеріалів у придатні для використання сенсорні модулі; зокрема, детально розглядається невідповідність температур між компонентами, а також чутливість SiC до навколишнього середовища, в той час як широко обговорюється сучасний стан як технології об'ємного матеріалу SiC, так і тонкоплівкових технологій SiC.

Зносостійкість

Карбід вольфраму (WC) - важливий і універсальний сплав, що використовується в багатьох сферах застосування, відрізняється надзвичайною твердістю, високою провідністю, низьким тепловим розширенням і стійкістю до корозії. Карбід вольфраму утворюється при змішуванні чистого вольфрамового порошку з іншими металами, такими як вуглець, нікель або кобальт, за допомогою процесу, що називається спіканням; після цього він формується у форми для конкретного використання шляхом пресування і кування, найчастіше ріжучих інструментів. Надзвичайна міцність вольфраму значно перевищує міцність інших металів, що використовуються для виготовлення ріжучих інструментів; крім того, вольфрам часто використовується військовими підрозділами, які застосовують тактику нападу, що називається кінетичним бомбардуванням, коли кулі, випущені безпосередньо у ворога, пробивають броньовий захист і проникають крізь оборону противника.

Карбід вольфраму (WC) широко використовується в точному машинобудуванні завдяки своїй здатності витримувати дуже високі швидкості і тиск, має найвищий модуль Юнга, найтвердішу поверхню, найнижчий коефіцієнт теплового розширення і найкращу зносостійкість серед усіх металів. Крім того, дуже висока пластичність вольфраму дозволяє формувати його в прутки або екструдувати у вигляді дроту, як, наприклад, у лампочках розжарювання.

Карбід вольфраму, як відомо, крихкий і схильний до розтріскування або руйнування при сильних ударах, що робить його більш схильним до ударів, ніж дорогоцінні метали, такі як золото і платина. Тим не менш, він продовжує широко використовуватися у військових цілях, де ударостійкість є життєво важливою, наприклад, на кратерному випробувальному полігоні НЦУ, де буферні диски з карбіду вольфраму поглинають удари снарядів.

Електропровідність

Унікальне поєднання керамічних і напівпровідникових властивостей карбіду кремнію робить його дуже адаптивним матеріалом, придатним для промислового та електронного використання. Завдяки цим властивостям електроніка з карбіду кремнію може працювати навіть у суворих умовах з високими температурами і напругою, які зазвичай позбавляють іншу електроніку можливості працювати належним чином.

З хімічної точки зору карбід кремнію є неймовірно стійким матеріалом. Він стійкий до більшості кислот (соляної, сірчаної та плавикової), солей і лугів, за винятком концентрованої сірчаної кислоти; крім того, він не вступає в реакцію з водою, що робить його ідеальним матеріалом для компонентів, які потребують тривалого контакту з рідиною.

Карбід кремнію має чудові електричні властивості завдяки своїй атомній структурі. Він кристалізується у тісно упаковані структури, що містять ковалентно зв'язані шари вуглецю та кремнію. Ці шари можуть бути розташовані в різних конфігураціях, які називаються політипами; кожен політип відрізняється своєю власною послідовністю укладання, що призводить до виникнення різних кристалічних структур, кожна з яких має унікальні властивості.

Численні властивості карбіду кремнію ставлять його на передній край технологічних інновацій. Використання в екстремальних і високопродуктивних інженерних системах, таких як підшипники насосів, клапани, піскоструминні інжектори та екструзійні матриці, а також виготовлення напівпровідникових пристроїв, що працюють в екстремальних умовах, може призвести до значних покращень у різних галузях промисловості.