A szilícium-karbid kerámia

A szilícium-karbid kerámia, A szilícium-karbid kerámia kiemelkedő, 9,5 Mohs-féle keménységgel büszkélkedhet, ami az egyik legkeményebb anyag a Földön. Továbbá a szilícium-karbid magas hővezető képességgel, alacsony hőtágulási sebességgel és kiváló kémiai korrózióállósággal rendelkezik magas hőmérsékleten. a SiC számos olyan alkalmazásban alapvető fontosságú anyag, amelyek nagy hőállóságot és szilárdságot igényelnek, beleértve a malmokat, az expandálókat és az extrudálókat; a kerámia tűzálló anyagok, mint a malmok összetevőjeként is szolgál; a mechanikus tömítések erősen támaszkodnak a SiC-re a szilárdságuk miatt.

Mitől lesz kerámia?

A szilíciumkarbid (SiC) egy szilíciumból és szénből álló szervetlen kémiai vegyület, amely a természetben moissanitként fordul elő; a tömeggyártás azonban 1893-ban kezdődött meg csiszolóanyagként való felhasználás céljából. A SiC-kerámiákat különböző eljárásokkal lehet előállítani, beleértve a reakciókötést vagy a szinterezést, hogy egyenletes vastagság és tartósság érhető el.

A kerámia a mérnökök által széles körben használt kifejezés különböző műszaki anyagok leírására, amelyek mind kémiai, mind fizikai tulajdonságaikban jelentősen különböznek egymástól. A gépészmérnökök kerámiának nevezhetik a viszonylag tisztátalan SiC-kristályokból álló, hő és nyomás hatására kötőanyaggal összekapcsolt kerámiákat; a villamosmérnökök pedig a nagy tisztaságú, egykristályos SiC-lapkákat nevezhetik kerámiának.

A "kerámia" azonban utalhat olyan nem oxidkerámiákra is, amelyek ellenállnak az olyan kemény körülményeknek, mint a magas hőmérséklet és a durva vegyi anyagok. A szilíciumkarbid (SiC) egy ilyen anyag, amelyet gyakran használnak csiszolóanyagként, acéladalékként és szerkezeti kerámiaként. A SiC továbbá a közelmúltban széles sávszélességű félvezetővé vált, amelyet a nagy teljesítményű elektronikai alkalmazásokban használnak.

ipari minőségű tűzálló kerámiák széles választékát kínáljuk szinterezett szilíciumkarbid (SiSiC) és habosított SiC formájában. Az oxidmentes kerámia mindkét formája magas korrózió-, kopás- és fáradásállóságot, valamint kivételesen magas végfelhasználási hőmérsékletet (2000degC) biztosít.

A habosított SiC porózus szilíciumkarbid alapanyag folyékony szilíciummal történő reakcióba hozásával készül, adalékanyag vagy öntéses formázási módszerekkel, hogy szinterezhető tömör anyagot képezzen, amely aztán szinterkemencében teljesen sűrű mikroszerkezetű anyaggá - például Hexoloy(r)-vá alakítható. A Hexoloy(r)-hoz hasonló szinterezett SiC-termékek különböző gyártási módokon keresztül váltak kereskedelmi szempontból életképessé.

A SiC tűzálló kerámiákat széles körben használják csiszolóanyagok és acéladalékok gyártása során; azonban a repülőgépiparban, a 3D nyomtatáshoz használt tribológiai alkatrészek, a ballisztika, a vegyipari feldolgozás, a dinamikus tömítéstechnika (súrlódó csapágyak/mechanikus tömítések/kopás/erózióálló alkatrészek szivattyúrendszerekben/csővezetékekben), a csőrendszerek vezető/terelő elemei és számos más ipari felhasználási terület is felhasználásra kerül. Kopás/erózióálló tulajdonságai miatt a SiC vonzó anyagválasztás, amely lehetővé teszi a dinamikus tömítési technológiát, valamint a számos ipari alkalmazásban használt kopás/erózióálló/erózióálló alkatrészeket - mint például a 3D nyomtatásban használt űrkutatási/tribológiai alkatrészek/ 3D nyomtatás/ 3D nyomtatás/ballisztika/kémiai feldolgozás/kémiai feldolgozás/kémiai feldolgozóipar/kémiai feldolgozóipar/ballisztika/kémiai feldolgozóipar/kémiai feldolgozóipar stb. a szilíciumkarbid kerámia hőstabilitása alkalmassá teszi más ipari felhasználásokra, beleértve a repülőgépipari alkalmazásokat; csőrendszerekben használt vezető/visszaverő elemként használt kopás/erózióálló szivattyúalkatrészek stb.

Fizikai tulajdonságok

A szilíciumkarbid (SiC) kemény anyag, a Mohs-skálán 9-es értékkel, a gyémánt (10) és a timföld (9) között. A SiC továbbá kiváló korrózióállósággal büszkélkedhet; levegőn rendkívül stabil, miközben ellenáll számos gyakori vegyi anyag, például savak, lúgok és olvadt sók által okozott bomlásnak. Továbbá, alacsony tágulási sebessége miatt meglehetősen ellenállóvá válik a termikus sokkhatásokkal szemben.

A szilíciumkarbid kémiai szerkezete egymásba kapcsolódó szén- és szilíciumtetraéderekből áll, amelyeket erős kötések tartanak össze a kristályrácsban, ami kiváló szilárdságot biztosít. A szilíciumkarbidot a legtöbb szerves oldószer nem támadja meg, és nem reagál vízzel vagy oxigénnel, de magas hőmérsékleten klórral reagál, SiO2-t képezve. A szilíciumkarbid kiváló kopásállósággal, kemény felülettel, amely nagy terhelést és ütéseket is elvisel, alacsony hővezetési együtthatóval, jó hőtágulási együtthatóval büszkélkedhet, és ellenáll a legtöbb savnak.

A páncélkerámia napjainkban az egyik leghasznosabb fejlett kerámiává vált, amelyet olyan változatos alkalmazásokban alkalmaznak, mint a vágószerszámok, szerkezeti anyagok, például a kerámialemezekből készült golyóálló mellénylemezek, autóalkatrészek, például féktárcsák és sebességváltó-alkatrészek, villámhárítók, sőt még a csillagászati távcsőtükrök is.

A szilíciumkarbid kerámia, a szilíciumkarbid előállítása többféle technikát foglal magában, a reakciókötéses és a közvetlen szinterezéses a két legelterjedtebb. A reakciókötött SiC úgy alakítható ki, hogy a porított SiC-t porított szénnel és lágyítószerrel keverik össze, mielőtt formába préselik, majd gáznemű vagy folyékony szilíciumot juttatnak bele, hogy vékony, de sűrű SiC-réteget képezzenek a reakcióban lévő hely körül. A közvetlenül szinterezett gyártás során a zöld vagy fekete szilíciumkarbidot elektromos ívkemencébe helyezik magas hőmérsékleten, erős nyomás alatt - mindkét eljárás során sűrű rétegek jönnek létre a reakciópontok körül.

A szilíciumkarbid fizikai és mechanikai tulajdonságain túl számos elektronikus alkalmazással rendelkezik. Széles sávszélességű félvezető anyagként a szilícium-karbid képes nagy feszültségek vezetésére a hasonló eszközöknél kisebb szivárgási árammal, ami alkalmassá teszi a teljesítményelektronikai alkalmazásokhoz. Továbbá a szilícium-karbid tartósabbnak bizonyult magas hőmérsékletű környezetben, mint más anyagok, például a szilícium-dioxid.

Kémiai tulajdonságok

A szilíciumkarbid (SiC és karborundum) egy ipari ásványi kristályos, félvezetőként és kerámiaként egyaránt használt ásvány. Tiszta formában színtelen, de a szennyeződésektől függően zöld vagy kék színárnyalatú lehet. Ebben a szerkezetben minden réteg két szénatomból áll, amelyek egy szilíciumatomhoz csatlakoznak, hogy négy másik szilíciumatommal tetraéderes kötési konfigurációt alkossanak, így többtípusú szerkezeteket vagy szerkezeteket alkotnak, amelyeknél a rétegek egymásra helyezésének különböző elrendezései különböző többtípusú vagy szerkezeteket eredményeznek.

A Ceramica az egyik legkeményebb fejlett kerámiaanyag, és rendkívül magas olvadáspontú. Kémiailag inert, és csak nagyon csekély reakciókat vált ki, ha bizonyos savakkal (sósavval, kénsavval és fluorsavval) vagy lúgokkal, például tömény nátrium-hidroxiddal érintkezik; emellett kiváló hőszigetelőként szolgál, és a nem oxidkerámiák közül magas korrózióállósággal rendelkezik.

A szilíciumkarbid az egyik legkeményebb anyag, csak a borkarbid és a gyémánt vetekszik vele. Rendkívüli keménysége miatt széles körben használják vágószerszámokban, autófékekben, golyóálló mellényekben és más szerkezetekben szilárdsága és ütésállósága miatt. A tűzálló anyagok és kerámiák a szilíciumkarbidot alacsony hőtágulási együtthatója és hősokk-ellenálló tulajdonságai miatt használják; az elektronika elektromos tulajdonságai miatt használja - a nagy elektromos térerősség és a maximális áramsűrűség csak néhány példa.

A szilícium-karbid az elektronikus áramkörökben való alkalmazásakor kiváló feszültségállóságot biztosít, a gallium-nitridet felülmúlja a nagyfeszültségű alkalmazásokat használó rendszerek esetében, és magasabb hőmérsékleten alacsonyabb szivárgási áramot biztosít. Egy másik kulcsfontosságú előnye az alacsonyabb szivárgási áram ezeken a hőmérsékleteken.

A moissanitot elektromos kemencében magas hőmérsékleten szénnel redukált szilícium-dioxidból állítják elő. Először 1893-ban fedezték fel moissanitként az arizonai Canyon Diablo meteorkráterben kialakult képződményéből. Edward Goodrich Acheson véletlenül fedezte fel, amikor a 19. század elején mesterséges gyémántokat próbált előállítani; végül eljárásokat fejlesztett ki a tömeges előállítására.

Mechanikai tulajdonságok

A szilíciumkarbid egy kerámia, a kerámiaanyagok mechanikai tulajdonságait az határozza meg, hogy hogyan deformálódnak terhelés alatt, és magukban foglalják a szakítószilárdságot, az ütésállóságot, a hajlítószilárdságot és a rétegközi nyírószilárdságot. Ezek a tulajdonságok mind a szerkezetétől, mind a környezetétől függnek. A szilíciumkarbid szabálytalan kristályszerkezetű, szén-szilícium tetraéderes kötésekből áll. Alacsony sűrűségének köszönhetően keménységet és tartósságot, valamint magasabb hőmérsékleten kémiai és termikus stabilitást biztosít; emellett ellenáll a korróziónak, széles sávszélességű tulajdonságai révén pedig hasznos a félvezetők és a teljesítményelektronikai alkalmazásokban.

A szilíciumkarbid keménysége a tisztaságától és a keletkezési módjától függ. A kereskedelmi forgalomban kapható polikristályos porok keménysége általában 10-20 MPa között mozog, míg az egykristályos változatok keménysége sokkal magasabb, egyes esetekben eléri a 80 MPa-t is. A szemcseméret is szerepet játszik; a nagyobb szemcsék általában alacsonyabb keménységi értékeket mutatnak, mint kisebb társaik.

A szilícium-karbid kerámia két különböző eljárással - reakciókötéssel és szinterezéssel - állítható elő, amelyek mindkettő jelentősen befolyásolja a mikroszerkezetet. A reakciókötéses sic úgy jön létre, hogy a porított szilíciumot és szenet tartalmazó tömör anyagokat folyékony szilíciummal infiltrálják, amely a szénnel reakcióba lépve több SiC-et képez, amely aztán a SiC kezdeti részecskéihez kötődik, így kemény és rideg, kis sűrűségű anyagokat képez; másrészt a szinterezéssel sűrűbb, de ridegebb, jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkező anyagokat állítanak elő.

A szilícium-karbidot először 1893-ban kezdték el tömegesen gyártani csiszolóanyagként való felhasználásra. Azóta sok más felhasználási terület mellett csiszolókorongokban, vágószerszámokban, ipari kemencék tűzálló bélésanyagaiban, golyóálló mellénykerámia lemezekben és elektronikus alkalmazásokban, például fénykibocsátó diódákban (LED) és a korai rádiókban lévő detektorokban használják.

A szilíciumkarbid koptató hatása miatt a gyémánt hatékony helyettesítője a szerszámhegyekben és csiszolókorongokban, valamint az olyan kopó alkatrészekben, mint a csiszolókorongok és az autófékek. A szilíciumkarbid továbbá kiváló anyagként használható tűzálló anyagként elektromos kemencékben, valamint fűtőelemként olyan feszültségérzékeny eszközökben, mint a termisztorok és a varisztorok.