Er siliciumcarbid en keramik?

Er siliciumcarbid et keramisk materiale? Keramisk siliciumcarbid har en enestående Mohs-hårdhedsgrad på 9,5, hvilket gør det til et af de hårdeste materialer på jorden. Desuden har siliciumcarbid høj varmeledningsevne, lave varmeudvidelseshastigheder og fremragende kemisk korrosionsbestandighed ved høje temperaturer. SiC er et vigtigt materiale i mange applikationer, der kræver høj varmebestandighed og styrke, herunder møller, ekspandere og ekstrudere; det fungerer også som en ingrediens i keramiske ildfaste materialer som møller; mekaniske tætninger er stærkt afhængige af SiC for deres styrke.

Hvad gør det til keramik?

Siliciumcarbid (SiC) er en uorganisk kemisk forbindelse, der består af silicium og kulstof, og som findes naturligt som moissanit, men masseproduktionen begyndte i 1893 til brug som slibemateriale. SiC-keramik kan fremstilles gennem forskellige processer, herunder reaktionsbinding eller sintring for at opnå ensartede tykkelsesniveauer og holdbarhed.

Keramik er et begreb, der i vid udstrækning bruges af ingeniører til at beskrive forskellige tekniske materialer, der adskiller sig markant i både kemiske og fysiske egenskaber. Maskiningeniører kalder måske keramik, der består af relativt urene SiC-krystallitter, som er bundet sammen med et bindemiddel under varme og tryk, for keramik; elektroingeniører kalder måske enkeltkrystalskiver af SiC med høj renhed for keramik.

Men "keramik" kan også henvise til ikke-oxidkeramik, som kan modstå hårde forhold som høje temperaturer og barske kemikalier. Siliciumcarbid (SiC) er et sådant materiale, som ofte bruges som slibemiddel, ståladditiv og strukturel keramik. Desuden er SiC for nylig blevet en udbredt halvleder med bredt båndgab, der bruges i højeffektselektronik.

Vi tilbyder et omfattende udvalg af ildfast keramik af industriel kvalitet i form af sintret siliciumcarbid (SiSiC) og opskummet SiC. Begge former for dette ikke-oxidkeramiske materiale giver høj modstandsdygtighed over for korrosion, slid og udmattelse samt usædvanligt høje slutbrugstemperaturer (2000 °C).

Skummet SiC fremstilles ved at lade porøst siliciumcarbid råmateriale reagere med flydende silicium ved hjælp af additiv- eller støbeformningsmetoder for at danne et sintringsbart kompakt materiale, som derefter kan omdannes i en sintringsovn til et helt tæt mikrostrukturmateriale - som Hexoloy(r). Sintrede SiC-produkter som Hexoloy(r) er blevet kommercielt levedygtige gennem forskellige fremstillingsmetoder.

Ildfast SiC-keramik bruges i vid udstrækning til fremstilling af slibemidler og ståladditiver, men det anvendes også inden for rumfart, tribologiske komponenter til 3D-printning, ballistik, kemisk forarbejdning, dynamisk tætningsteknologi (friktionslejer/mekaniske tætninger/slid-/erosionsbestandige komponenter i pumpesystemer/rør), styre-/afbøjningselementer i rørsystemer og mange andre industrielle anvendelser. Deres slid-/erosionsbestandige egenskaber gør SiC til et attraktivt materialevalg, der muliggør dynamisk tætningsteknologi samt slid-/erosionsbestandige/erosionsresistente komponenter, der bruges i mange industrielle anvendelser - såsom rumfart/tribologiske komponenter, der bruges inden for 3D-printning/ 3D-printning/ballistik/kemisk forarbejdning/kemisk forarbejdningsindustri/ballistik/kemisk forarbejdningsindustri/kemisk forarbejdningsindustri osv. termisk stabilitet af siliciumcarbidkeramik gør det velegnet til andre industrielle anvendelser, herunder rumfartsanvendelser; slid-/erosionsresistente pumpekomponenter, der bruges som styre-/afbøjningselementer, der bruges i rørsystemer osv.

Fysiske egenskaber

Siliciumcarbid (SiC) er et hårdt materiale med en Mohs-skala på 9, mellem diamant (10) og aluminiumoxid (9). Desuden har SiC en fremragende korrosionsbestandighed; det er ekstremt stabilt i luftmiljøer og modstår nedbrydning af mange almindelige kemikalier som syrer, baser og smeltede salte. Desuden gør den lave ekspansionshastighed det ret modstandsdygtigt over for termisk chok.

Siliciumcarbids kemiske struktur består af sammenkoblede kulstof- og siliciumtetraedre, der holdes sammen af stærke bindinger i krystalgitteret, hvilket giver det en fremragende styrke. Siliciumcarbid angribes ikke af de fleste organiske opløsningsmidler og reagerer ikke med vand eller ilt, men reagerer med klor ved høje temperaturer og danner SiO2. Siliciumcarbid har en fremragende slidstyrke, en hård overflade, der kan bære tunge belastninger og stød, en lav varmeledningsevne, en god varmeudvidelseskoefficient og er modstandsdygtig over for de fleste syrer.

Panserkeramik er blevet en af de mest nyttige avancerede keramiske materialer i dag og anvendes i så forskellige sammenhænge som skæreværktøjer, strukturelle materialer som skudsikre veste lavet af keramiske plader, bilkomponenter som bremseskiver og transmissionsdele, lynafledere og endda spejle til astronomiske teleskoper.

Er siliciumcarbid keramik? Produktion af siliciumcarbid involverer flere teknikker, hvor reaktionsbundet og direkte sintret er to af de mest udbredte. Reaktionsbundet SiC kan dannes ved at blande pulveriseret SiC med pulveriseret kulstof og blødgøringsmiddel, før det presses i form og tilføres gasformigt eller flydende silicium for at danne et tyndt, men tæt lag af SiC omkring det sted, hvor det blev reageret med. Direkte sintret produktion indebærer, at grøn eller sort siliciumcarbid placeres i en elektrisk lysbueovn ved høje temperaturer under intenst tryk - hvilket skaber tætte lag omkring reaktionspunkter i begge processer.

Siliciumcarbid har mange elektroniske anvendelsesmuligheder ud over sine fysiske og mekaniske egenskaber. Som halvledermateriale med bredt båndgab kan siliciumcarbid overføre høje spændinger med lavere lækstrøm end sammenlignelige enheder - hvilket gør det velegnet til effektelektronik. Desuden har siliciumcarbid vist sig at være mere holdbart i miljøer med høje temperaturer end andre materialer som f.eks. siliciumdioxid.

Kemiske egenskaber

Siliciumcarbid (SiC og carborundum) er et krystallinsk industrimineral, der bruges som både halvleder og keramik. Det er farveløst i ren form, men afhængigt af urenheder kan det få en grøn eller blå nuance. Hvert lag i denne struktur består af to kulstofatomer, der er forbundet med et siliciumatom for at danne en tetraedrisk bindingskonfiguration med fire andre siliciumatomer for at danne polytypestrukturer eller strukturer med forskellige arrangementer for stabling af lagene, hvilket resulterer i forskellige polytyper eller strukturer.

Ceramica er et af de hårdeste avancerede keramiske materialer og har et ekstremt højt smeltepunkt. Kemisk inert med kun meget små reaktioner, når det udsættes for specifikke syrer (saltsyre, svovlsyre og flussyre) eller baser som koncentreret natriumhydroxid; derudover fungerer det som en fremragende varmeisolator og har høj korrosionsbestandighed blandt ikke-oxidkeramik.

Siliciumcarbid er et af de hårdeste materialer, kun overgået af borcarbid og diamant. Det bruges i vid udstrækning til skæreværktøjer på grund af dets ekstreme hårdhed, bilbremser, skudsikre veste og andre strukturer på grund af dets styrke og modstandsdygtighed over for slag. Ildfaste materialer og keramik bruger siliciumcarbid på grund af dets lave varmeudvidelseskoefficient og modstandsdygtighed over for varmechok; elektronik bruger det på grund af dets elektriske egenskaber - høj elektrisk feltstyrke og maksimal strømtæthed er blot nogle eksempler.

Siliciumcarbid giver overlegen spændingsmodstand, når det bruges i elektroniske kredsløb, og overgår galliumnitrid til systemer, der bruger højspænding, og har lavere lækstrøm ved højere temperaturer. En anden vigtig fordel er den lavere lækstrøm ved disse temperaturer.

Moissanit fremstilles af silica, der reduceres med kulstof ved høje temperaturer i en elektrisk ovn. Blev først opdaget i 1893 som moissanit fra dens dannelse i Arizonas Canyon Diablo-meteorkrater. Edward Goodrich Acheson opdagede det ved et uheld, da han forsøgte at producere kunstige diamanter i begyndelsen af det 19. århundrede, og udviklede til sidst processer til masseproduktion af det.

Mekaniske egenskaber

Er siliciumcarbid en keramik, bestemmes keramiske materialers mekaniske egenskaber af, hvordan de deformeres under belastning, og omfatter trækstyrke, slagstyrke, bøjningsstyrke og interlaminær forskydningsstyrke. Disse egenskaber afhænger af både struktur og miljø. Siliciumcarbid har en uregelmæssig krystallinsk struktur, der består af tetraedriske bindinger mellem kulstof og silicium. På grund af sin lave massefylde har det både hårdhed og holdbarhed samt kemisk og termisk stabilitet ved højere temperaturer; desuden er det korrosionsbestandigt og har et bredt båndgab, hvilket gør det anvendeligt i halvledere og effektelektronik.

Siliciumcarbids hårdhed afhænger af dets renhed og dannelsesmetode. Kommercielle polykrystallinske pulvere ligger normalt mellem 10-20 MPa, mens enkeltkrystalvarianter har meget højere hårdhedsværdier, der i nogle tilfælde når op på 80 MPa. Partikelstørrelsen spiller også en rolle; større korn har tendens til at udvise lavere hårdhedsværdier end deres mindre modstykker.

Siliciumcarbidkeramik kan fremstilles gennem to forskellige processer - reaktionsbinding og sintring - som begge har stor indflydelse på mikrostrukturen. Reaktionsbundet sic dannes ved at infiltrere kompakter, der indeholder pulveriseret silicium og kulstof, med flydende silicium, som reagerer med kulstof for at danne mere SiC, der derefter bindes til de oprindelige partikler af SiC for at danne hårde og sprøde materialer med lav densitet; på den anden side producerer sintring tættere, men mere sprøde materialer med gode mekaniske egenskaber.

Siliciumcarbid blev første gang masseproduceret i 1893 til brug som slibemiddel. Siden da er det blevet brugt i slibeskiver, skæreværktøjer, ildfaste foringer i industriovne, keramiske plader i skudsikre veste og elektroniske applikationer som lysdioder (LED) og detektorer i tidlige radioer - blandt mange andre anvendelser.

Siliciumcarbids slibeevne har gjort det til en effektiv erstatning for diamant i værktøjsbits og slibeskiver samt sliddele som f.eks. slibeskiver og bilbremser. Desuden er siliciumcarbid et fremragende materiale til brug som ildfaste materialer i elektriske ovne og som varmeelementer i spændingsfølsomme enheder som termistorer og varistorer.