Keramisk silisiumkarbid: Hjørnesteinen i høyeffektselektronikk

Elektroniske systemer med høy ytelse krever komponenter med den perfekte balansen mellom kompakt størrelse og langsiktig pålitelighet, spesielt der fysisk slitasje kan være et problem. Dette er spesielt relevant for bruksområder der slitasje er et problem. Silisiumkarbid, ofte kalt karborundum, er et av de mer unike tekniske keramiske materialene. I motsetning til de fleste andre tekniske keramiske materialer har det relativt høy styrke og hardhet, noe som gjør at det kan brukes til sliping og slipeskiver, samt til ildfaste deler og mekaniske tetninger. Det har vært i bruk i mer enn 100 år bare til disse formålene!

Styrke ved høye temperaturer

Keramisk silisiumkarbid er et av de letteste og hardeste avanserte keramiske materialene som finnes på markedet i dag, og har mekaniske egenskaper som holder seg konstante opp til 1400 grader Celsius. I tillegg har SiC gode varmeledningsegenskaper, samtidig som det er syrebestandig og har lav termisk ekspansjon - noe som gjør det til et ideelt materiale å bruke i utfordrende miljøer.

SiC er det hardeste materialet som kan støpes enten som barrer eller krystaller. SiC produseres gjennom en elektrokjemisk reaksjon mellom silisiumdioksyd og karbon i elektriske motstandsovner, og SiC-granulatet kan deretter males ned til pulver som kan brukes i slipeskiver og andre slipemidler. I over 100 år har det foregått masseproduksjon av SiC både som pulver og enkeltkrystall, og det har blitt produsert SiC til bruk i slipeskiver og andre slipemidler. SiC overgår også diamant og borkarbid når det gjelder hardhet, samtidig som det produseres andre produkter ved hjelp av enten sintring eller smelteprosesser.

Elkem benytter en patentert prosess for blanding og klassifisering av høykvalitets SiC, og pakker det deretter i henhold til kundens spesifikasjoner i vårt toppmoderne anlegg, Elkem Processing Services (EPS). DuraShock, vår tøffe og harde keramiske kompositt av bor-silisiumkarbid, gir fremragende ballistisk beskyttelse med betydelig lavere produktvekt enn pansrede stål- eller aluminiumoksidløsninger, noe som resulterer i lavere drivstofforbruk og rekkevidde, samtidig som man oppnår utmerket ballistisk ytelse med betydelige miljø- og kostnadsfordeler - noe som gir betydelige miljømessige og økonomiske fordeler i forhold til alternativer som pansret stål eller aluminiumoksidløsninger. Dette gir betydelige miljø- og kostnadsfordeler i forhold til tilsvarende løsninger i stål

Motstand mot termisk sjokk

Silisiumkarbid, ofte kalt karborundum, er en ekstremt slitesterk kjemisk forbindelse som dannes ved å binde silisium og karbon. Moissanite forekommer naturlig som en edelsten av silisiumkarbid, men oftest ser man det i pulverform som brukes til sintring av tøffe keramiske materialer som har mange bruksområder, for eksempel sandpapir, slipeskiver og skjæreverktøy - samt slitedeler i pumper, rakettmotorer, halvledersubstrater i lysdioder osv.

Keramiske materialers motstand mot termisk sjokk refererer til deres evne til å tåle plutselige temperaturendringer uten å sprekke, knuses eller bli skadet på annen måte. Denne egenskapen oppnås blant annet ved hjelp av lav utvidelseskoeffisient og høy varmeutholdenhet. Enkelte keramiske materialer, som smeltet silika og kordieritt, har utmerket motstand mot termisk sjokk, mens andre, som silisiumnitrider og silisiumoksykarbid, har dårlige resultater på dette området.

Motstandsdyktighet mot oksidasjon

Silisiumkarbidkeramikk har utmerket motstand mot oksidasjon, noe som gjør dem til det perfekte materialet for bruk i kjemisk industri og prosesstekniske applikasjoner. Den eksepsjonelle motstandsdyktigheten gjør at de effektivt kan separere korrosive væsker og gasser fra bærende gasser, samtidig som de gjenvinner varme i tilfeller der kjemiske reaksjoner fører til høye prosesstemperaturer og store konsentrasjoner av syrer eller baser.

De har utmerkede mekaniske egenskaper - blant annet høy Vickers-hardhet og bruddseighet, høy varmeledningsevne og lave varmeutvidelseshastigheter. De er også motstandsdyktige mot syre- og lutbaserte miljøer.

For ikke å forveksles med naturlig moissanitt, som bare finnes i svært små mengder i meteorittforekomster og korundforekomster som kimberlitt, er alt silisiumkarbid som selges i handelen, syntetisk fremstilt ved trykksintring av pulverisert silisiumkarbid med aluminiumoksidbaserte keramiske komponenter for å danne et tett materiale som praktisk talt ikke har porer, og som har høy styrke og bruddseighet.

Borkarbidkeramikk (B4C) produseres på samme måte som SiC. Submikron B4C-pulver sintres ved temperaturer på over 2000 °C uten trykk (SSIC) eller under høye temperaturer og trykk (HPBC eller HIPBC), noe som gir keramikk som kjennetegnes av høy Vickers-hardhet, utmerket bruddseighet, kjemisk stabilitet og motstand mot oksidasjon ved høye temperaturer - egenskaper som deles med SiC-keramikk.

Motstandsdyktighet mot slitasje

Keramisk silisiumkarbid er et av de letteste og hardeste avanserte keramiske materialene, og har enestående korrosjonsbestandighet, kjemisk stabilitet og termiske ekspansjonsegenskaper som gjør det egnet til bruk i dynamisk tetningsteknologi, pumpe- og drivsystemer, prosessteknikk i kjemisk industri samt dynamisk tetningsteknologi for dynamiske tetningsapplikasjoner. Sammenlignet med metaller har komponenter av silisiumkarbid flere ganger større slitestyrke på grunn av den lave friksjonskoeffisienten og de slitesterke egenskapene.

Silisiumkarbid har lenge vært brukt som slipemiddel og materiale i industriovner, helt siden det ble introdusert på slutten av 1800-tallet. Silisiumkarbid brukes dessuten som råmateriale for produksjon av sandpapir, slipeskiver, skjæreverktøy, sandpapir og skjæreverktøy - og er dessuten et utmerket substrat for lysdioder (LED). Selv om silisiumkarbid bare forekommer naturlig som moissanittkrystaller, har det siden slutten av 1800-tallet foregått storstilt produksjon av pulver- og krystallformer for å dekke etterspørselen.

Reaksjonsbinding og sintring er de to metodene for å produsere silisiumkarbidkeramikk, og hver av dem påvirker den endelige mikrostrukturen forskjellig. Reaksjonsbundet SiC lages ved å infiltrere kompakter bestående av blandinger av SiC og karbon med flytende silisium, som deretter reagerer med karbon gjennom kjemiske reaksjoner før det sintres i form. Uansett hvilken metode som brukes for å produsere SiC, har begge variantene eksepsjonell ytelse med utmerket erosjonsmotstand, slitestyrke, lave CTE-verdier og sterk syrebestandighet, noe som gjør dem til utmerkede valg for blant annet sprøytedyser, sandblåsingsdyser og syklonkomponenter.