Indvirkningen af siliciumkarbidkeramik på industrielle anvendelser

Siliciumcarbidkeramik er et hårdt keramisk materiale, der ligger mellem aluminiumoxid og diamant på Mohs-skalaen. Reaktiv sintring er den foretrukne proces til fremstilling af store og komplekse SiC-produkter, men den har flere ulemper, herunder høje krav til råmaterialer, energiforbrug og produktionsomkostninger.

Hårdhed

Siliciumcarbid (SiC) er en hård og kemisk resistent forbindelse, der består af kulstof og silicium i tetraedrisk struktur. SiC findes naturligt som moissanitmineral og er siden 1893 blevet produceret som store enkeltkrystaller eller som pulver til brug som slibemiddel eller i andre anvendelser, der kræver stor udholdenhed. SiC-keramik har den højeste temperaturstyrke blandt ikke-oxidkeramiske materialer samt overlegen bøjnings- og trækstyrke samt korrosions- og slidstyrkeegenskaber.

Polycarbamidets høje hårdhed kan opnås gennem dets unikke tetraedriske bindingsstruktur, hvor fire siliciumatomer binder sig til et kulstofatom i hvert tetraeder - svarende til diamantens struktur - hvilket giver en Mohs-hårdhedsgrad på 9,5.

På grund af sin hårdhed og kemiske resistens er keramik et attraktivt materiale til mange industrielle formål. Det anvendes inden for maskinteknik, anlægsteknik og procesteknik som slibemiddel, skæreværktøj og ildfast materiale. Desuden har keramik fremragende korrosions- og slidstyrkeegenskaber, samtidig med at det er let og har universel kemikaliebestandighed.

Siliciumcarbid kan bearbejdes i grøn, kikset eller fuldt fortættet tilstand for at danne komplekse geometrier. Fuldt sintret siliciumcarbid har et svind på ca. 20%, så tolerancerne skal være snævre, når man arbejder med dette materiale; diamantværktøj anbefales til nøjagtig bearbejdning. Siliciumcarbid findes i to varianter - alfa- og beta-siliciumcarbid.

Modstandsdygtighed over for korrosion

På grund af siliciumkarbidkeramiks kemiske stabilitet ved høje temperaturer og lave varmeudvidelseskoefficient har siliciumkarbidkeramik længe været brugt som et vigtigt materiale i ildfaste applikationer. For eksempel gør dets fremragende kemiske og termiske stabilitet det nyttigt i brænderdyser, stråle- og flammerør i forbrændingsrum under ekstreme forhold samt i røggasafsvovlingsanlæg. Desuden er siliciumcarbidkeramik også fremtrædende blandt metallurgiske anvendelser - det spiller en vigtig rolle i fremstillingen af keramiske bikagefiltre, der tjener til at filtrere stærke syre/alkali-blandinger, der findes i dieselmotorers udstødningsgasemissioner.

Kombinationen af høj hårdhed, kemisk modstandsdygtighed og en vis sejhed gør siliciumcarbid til et fremragende materiale til fremstilling af bundne og belagte slibemidler til bearbejdning af glas, keramik, sten og støbejern samt frie slibeværktøjer og skivesæt. Desuden fungerer siliciumcarbid som et integreret materiale i keramiske matrixkompositter (CMC), som forbedrer luft- og rumfartsapplikationer som turbinemotorer ved at øge ydeevnen og samtidig reducere vægten og miljøbelastningen.

Reaktionsbundet SiC fremstilles ved at infiltrere kompakter, der indeholder blandinger af rent SiC-pulver, med flydende silicium og kulstof, der reagerer sammen for at danne mere SiC, som binder de oprindelige kompakter. Sintring er en keramisk formningsmetode, der effektivt producerer store og komplekst formede siliciumcarbidkomponenter; begge typer bruges ofte af industrier, herunder bil-, elektronik- og energisektoren.

Termisk ledningsevne

Siliciumcarbidkeramik er et exceptionelt højtydende ildfast keramisk materiale, der anvendes i forskellige industrielle sammenhænge. På grund af sin høje varmeledningsevne, lave varmeudvidelseshastighed og fremragende kemiske korrosionsbestandighed er SiC et ideelt materialevalg til brug i ovnhylder, ovnbrændere, turbinemotorer og kemisk procesudstyr.

Produktionen af ildfast keramik bruger flere metoder til at fremstille SiC-pulver med forskellige renhedsniveauer, krystalstrukturer, partikelstørrelser og -former - hvilket gør materialet til et af de mest fleksible, der findes på markedet. Den industrielle produktion former derefter disse pulvere til produkter såsom varmpressede isolatorer eller ildfaste blokke til videre brug i industriens fremstillingsprocesser.

SiC bruges også til fremstilling af keramiske matrixkompositter (CMC'er), der anvendes i luft- og rumfart, hvilket giver mulighed for lettere komponenter, der reducerer brændstofforbruget og samtidig forbedrer ydeevnen og pålideligheden.

Målinger af varmeledningsevne udført på tørre prøver udviser typisk en variationsfunktion l = f(densitet) med et bøjningspunkt, når deres naturlige densitetsværdi stiger, men når de testes efter at være blevet udsat for fugt gennem konditionering med Angelantoni Challenge CH250 ved 23 grader +- (23/0,3) grader og 50% RH, har fugt en enorm indflydelse på varmeledningsevnen på grund af dannelse af SiC-polymorfer med forskellige krystalstrukturer såsom alpha SiC's hexagonale krystalstruktur eller beta modified's zinkblandings-krystalstruktur.

Modstandsdygtighed over for slid

Siliciumcarbidkeramik er ideelle materialer til industrielle anvendelser på grund af deres hårdhed og styrke, f.eks. slibemidler, ildfaste materialer, kemisk forarbejdning, elproduktion, korrosionsbestandighed og lejer/mekaniske tætninger. Deres korrosionsbestandighed gør dem ideelle til varmevekslere i barske miljøer som f.eks. røggasafsvovlingsanlæg, mens deres væskebaserede anvendelser gør dem til det perfekte materialevalg til lejer/mekaniske tætninger/lejer/mekaniske tætninger i væskebaserede systemer.

Siliciumcarbid blev først syntetisk fremstillet og patenteret af Acheson i 1897. Produktionsmetoderne omfatter sublimering, karbotermisk reduktion (Acheson-processen), omdannelse fra polymerer og kemiske reaktioner i gasfasen. Afhængigt af produktionsmetoden kan siliciumcarbid have forskellige renhedsniveauer, krystalstrukturer, partikelstørrelser, former, fordelinger og distributioner.

På grund af sin hårdhed og kemiske stabilitet anvendes siliciumcarbidkeramik i vid udstrækning i slibende bearbejdningsprocesser som slibning, honing og vandstråleskæring. Desuden fungerer dette materiale som et fremragende slibemiddel til sten, glas, støbejern og visse ikke-jernholdige metaller som f.eks. ikke-jernholdige legeringer; desuden anvendes det ofte i lapidarium på grund af dets holdbarhed og omkostningseffektivitet. Siliciumcarbids korrosionsbestandige egenskaber gør det muligt at bruge det i forskellige ildfaste anvendelser, herunder skurplader og sagger til keramikovne og vertikale cylinderdestillationsovne, der bruges til zinksmeltning. Desuden har dette materiale også vist sig nyttigt som foringsmateriale i elektrolyseceller af aluminium, smeltedigler og dele af ovnmaterialer.