Огляд керамічних матеріалів на основі карбіду кремнію

Карбід кремнію - один з найтвердіших і найміцніших сучасних керамічних матеріалів, який використовується як абразивний матеріал, а також завдяки своїй термостійкості і низькому коефіцієнту теплового розширення у вогнетривах і кераміці.

Муассаніт також може зустрічатися в природі у вигляді прозорого мінералу муассаніту. Перші штучно синтезовані зразки були створені в 1891 році під час спроби Едварда Ачесона створити штучні алмази; пізніше хімік Анрі Муассан, лауреат Нобелівської премії, штучно синтезував ще більше зразків.

Високотемпературна міцність

Карбід кремнію (SiC) - це надзвичайно міцна неоксидна кераміка, яка забезпечує виняткову стійкість до корозії та хімічного впливу за підвищених температур. SiC використовується як вогнетривкий футерувальний матеріал у промислових печах; як вогнетривкий футерувальний матеріал; як шліфувальні круги; як ріжучий інструмент; а також там, де міцність має вирішальне значення, наприклад, у шліфувальних кругах, ріжучому інструменті та механічній обробці. Крім того, компоненти SiC є ключовими елементами нагрівальних елементів опору, термісторів для електричних печей, а також футерувальних труб і ущільнювальних поверхонь, що містять SiC.

SiC відомий своєю надзвичайною термічною стійкістю та міцністю при підвищених температурах, що робить його дуже цінним у промисловому застосуванні. SiC протистоїть окисленню при температурах до 1000 градусів за Цельсієм, створюючи оксидний захисний шар, який діє як бар'єр між його поверхнею та елементами, що його оточують; однак при більш високих температурах тріщини можуть проникати через цей бар'єр і розсіювати енергію через міжкристалічні або гранульовані області, що ускладнює підвищення міцності при підвищених температурах.

Карбід кремнію може бути виготовлений двома різними способами: реакційно зв'язаним і спеченим. Обидві форми мають значний вплив на його мікроструктуру, а отже, і на продуктивність при підвищених температурах. Реакційне зв'язування передбачає інфільтрацію зелених компактів, що складаються з сумішей SiC і вуглецю з рідким кремнієм; це створює структури з мінімальною зміною розмірів під час обробки і великою площею поверхні. Вогнетривка мікроструктура "ядро-оболонка" забезпечує унікальні характеристики, які, як було продемонстровано, підвищують міцність SiC при підвищених температурах.

Стійкість до високих температур

Надзвичайна міцність карбіду кремнію робить його чудовим матеріалом для високотемпературних застосувань, таких як керамічні гальмівні колодки для легкових автомобілів. Матеріал здатний витримувати температуру до 1400 градусів за Цельсієм, зберігаючи при цьому виняткову міцність і твердість, що робить карбід кремнію ідеальним матеріалом.

Карбід кремнію відрізняється від інших керамічних матеріалів тим, що не руйнується і не плавиться при високих температурах, що робить його придатним для використання в умовах високих навантажень, таких як підшипники і куленепробивні пластини, без постійних структурних пошкоджень. Це робить карбід кремнію особливо ідеальним для застосувань з високими рівнями навантаження, таких як підшипники та куленепробивні пластини.

Карбід кремнію зустрічається в природі у вигляді надзвичайно рідкісного мінералу муассаніту, в той час як синтетичний карбід кремнію відповідає вимогам сучасної національної оборони, ядерної енергетики, космічних технологій та аерокосмічної промисловості, які вимагають точних розмірів.

Спечений карбід кремнію має одну з найвищих теплопровідностей серед технічної кераміки, поступаючись лише нітриду алюмінію. Це можна пояснити його решітчастою кисневою структурою, яка створює велике розсіювання фононів. Хоча її теплопровідність можна ще більше підвищити, використовуючи оксидні добавки в процесі спікання, їх слід звести до абсолютного мінімуму, щоб зберегти структурну стабільність і стійкість матеріалу до окислення.

Низький коефіцієнт теплового розширення

Низький коефіцієнт теплового розширення карбіду кремнію робить його ідеальним матеріалом для використання в якості керамічного матричного композиту (КМК) в суворих умовах, завдяки чому він широко застосовується в таких сферах, як газові турбіни і ракетні сопла, де матеріали повинні витримувати високі температури, а також теплові удари.

Стійкість до корозії робить нержавіючу сталь чудовим матеріалом для футерування хімічних промислових печей, де вона може витримувати екстремальні температури, зберігаючи при цьому свою структурну цілісність. Крім того, нержавіюча сталь має високу хімічну стійкість, що дозволяє тривалий час експлуатувати її в агресивних рідких середовищах, таких як розчини кислот і лугів.

Найпоширеніший поліморф карбіду кремнію, альфа-форма, зустрічається при температурах вище 1700 градусів за Цельсієм з кристалічною структурою вюрциту і температурою плавлення вище 1700 градусів за Цельсієм. Однак може також існувати більш рідкісна бета-форма з кристалічною структурою цинкової суміші, подібною до алмазу, і нижчою температурою плавлення 1030 градусів Цельсія - ця рідкісна форма може слугувати основою для гетерогенних каталізаторів.

Карбід кремнію можна знайти як у вигляді пористої, так і щільної кераміки. Технології виробництва широко варіюються, причому кінцева мікроструктура залежить від використовуваного методу виробництва. Реакційно зв'язаний карбід кремнію виробляється шляхом інфільтрації компактів суміші вуглецю та кремнію розплавленим кремнієм, які реагують один з одним, утворюючи більше карбіду кремнію, скріплюючи початковий компакт; спечений карбід кремнію, такий як Hexoloy, утворюється за допомогою звичайних процесів формування кераміки перед спіканням при високих температурах в інертній атмосфері.

Висока твердість

Твердість карбіду кремнію за шкалою Мооса сягає 9,5 одиниць, що ставить його на третє місце після алмазу та нітриду бору. Це робить його придатним для виготовлення ріжучих інструментів та абразивних матеріалів, а також для виготовлення високотемпературних зносостійких деталей, таких як підшипники та ущільнення в машинобудуванні.

Унікальне поєднання стабільних хімічних властивостей, відмінної теплопровідності, низького коефіцієнта теплового розширення, твердості та механічної міцності карбіду кремнію зумовило його широке застосування в різних галузях промисловості, включаючи нафтову, хімічну, мікроелектроніку, автомобілебудування, виробництво авіаційного паперу та лазерну промисловість. Крім того, карбід кремнію також знаходить застосування в захисті навколишнього середовища, інформаційній електроніці та енергетиці.

Карбід кремнію (SiC) можна отримати двома способами: реакційним зв'язуванням і спіканням, кожен з яких впливає на його кінцеву мікроструктуру. Реакційно зв'язаний SiC зазвичай створюється шляхом інфільтрації компактів, що складаються з сумішей кремнію і вуглецю з рідким кремнієм, який потім вступає в реакцію з іншими молекулами кремній-вуглецю для утворення більшої кількості зв'язків SiC, тоді як спечений SiC виготовляється за допомогою звичайних методів формування кераміки та допоміжних засобів для виробництва безокисного спікання.

Відмінна оброблюваність карбіду кремнію робить його чудовим матеріалом для виробництва зносостійких ущільнювальних компонентів, особливо в поєднанні з графітом. Ця комбінація забезпечує нижчий коефіцієнт тертя, ніж у глиноземної кераміки та твердих сплавів, і зберігає свою форму при високих значеннях PV, запобігаючи витоку хімічних речовин, таких як луги та кислоти, в навколишнє середовище.