Virkningen av silisiumkarbidkeramikk på industrielle bruksområder

Silisiumkarbidkeramikk er et hardt keramisk materiale som ligger mellom aluminiumoksid og diamant på Mohs-skalaen. Reaktiv sintring er den foretrukne prosessen for produksjon av store og komplekse SiC-produkter, men den har flere ulemper, blant annet høye krav til råmaterialer, energiforbruk og produksjonskostnader.

Hardhet

Silisiumkarbid (SiC) er en hard og kjemisk motstandsdyktig forbindelse som består av karbon og silisium i tetraedrisk struktur. SiC finnes naturlig som moissanittmineral, og har siden 1893 blitt produsert som store enkeltkrystaller eller som pulver til bruk som slipemidler eller i andre bruksområder som krever høy utholdenhet. SiC-keramikk har den høyeste temperaturstyrken blant keramiske materialer som ikke er oksiderte, samt overlegen bøyefasthet, strekkfasthet, korrosjons- og slitestyrke.

Polykarbamidets høye hardhet kan oppnås gjennom den unike tetraedriske bindingsstrukturen, der fire silisiumatomer binder seg til ett karbonatom i hvert tetraeder - i likhet med diamanters struktur - noe som gir en Mohs-hardhetsgrad på 9,5.

På grunn av sin hardhet og kjemiske motstandsdyktighet er keramikk et attraktivt materiale for mange industrielle bruksområder. Det kan brukes som slipemiddel, skjæreverktøy og ildfast materiale innen maskinteknikk, anleggsteknikk og prosessteknikk. I tillegg har keramikk utmerkede korrosjons- og slitestyrkeegenskaper, samtidig som det er lett og har universelle kjemikalieresistensegenskaper.

Silisiumkarbid kan bearbeides i grønn, kjeksaktig eller fullstendig fortettet tilstand for å danne komplekse geometrier. Fullt sintret silisiumkarbid har en krympningshastighet på omtrent 20%, så toleransene må være strenge når man arbeider med dette materialet; diamantverktøy anbefales for nøyaktig maskinering. Silisiumkarbid finnes i to varianter - alfa- og betasilisiumkarbid.

Motstandsdyktighet mot korrosjon

På grunn av silisiumkarbidkeramikkens kjemiske stabilitet ved høye temperaturer og lave varmeutvidelseskoeffisient har det lenge vært brukt som et viktig materiale i ildfaste applikasjoner. Den utmerkede kjemiske og termiske stabiliteten gjør det for eksempel nyttig i brennermunnstykker, stråle- og flammerør i forbrenningsrom under ekstreme forhold, samt i røykgassavsvovlingsanlegg. Silisiumkarbidkeramikk har også en fremtredende plass blant metallurgiske bruksområder - det spiller en viktig rolle i produksjonen av keramiske bikakefiltre som brukes til å filtrere sterke syre/alkaliblandinger som finnes i eksosutslipp fra dieselmotorer.

Kombinasjonen av høy hardhet, kjemisk bestandighet og en viss seighet gjør silisiumkarbid til et utmerket materiale for produksjon av bundne og belagte slipemidler for bearbeiding av glass, keramikk, stein og støpejern samt frie slipeverktøy og skivesett. Silisiumkarbid er dessuten et viktig materiale i keramiske matrikskompositter (CMC), som forbedrer ytelsen i fly- og romfartsapplikasjoner som turbinmotorer, samtidig som vekten reduseres og miljøbelastningen reduseres.

Reaksjonsbundet SiC lages ved å infiltrere kompakter som inneholder blandinger av rent SiC-pulver med flytende silisium og karbon, slik at de reagerer sammen og danner mer SiC, som binder sammen de opprinnelige kompakkene. Sintring er en keramisk formingsmetode som produserer store og komplekse silisiumkarbidkomponenter på en effektiv måte; begge typer brukes ofte i blant annet bilindustrien, elektronikk- og energisektoren.

Termisk konduktivitet

Silisiumkarbidkeramikk er et eksepsjonelt høytytende ildfast keramisk materiale som brukes i en rekke industrielle applikasjoner. På grunn av sin høye varmeledningsevne, lave varmeutvidelse og utmerkede kjemiske korrosjonsbestandighet er SiC et ideelt materialvalg for bruk i ovnshyller, ovnsbrennere, turbinmotorer og kjemisk prosessutstyr.

I produksjonen av ildfast keramikk benyttes flere metoder for å produsere SiC-pulver med ulike renhetsgrader, krystallstrukturer, partikkelstørrelser og former - noe som gjør materialet til et av de mest fleksible på markedet. I den industrielle produksjonen formes pulveret til produkter som varmpressede isolatorer eller ildfaste blokker for videre bruk i industriens produksjonsprosesser.

SiC brukes også i produksjonen av keramiske matrikskompositter (CMC) som brukes i luft- og romfart, noe som gjør det mulig å produsere lettere komponenter som reduserer drivstofforbruket og samtidig forbedrer ytelsen og påliteligheten.

Målinger av varmeledningsevne utført på tørre prøver viser vanligvis en variasjonsfunksjon l = f(tetthet) med et bøyningspunkt når den naturlige tetthetsverdien øker, men når de testes etter å ha blitt utsatt for fuktighet gjennom kondisjonering med Angelantoni Challenge CH250 ved 23 °C +- (23/0,3) °C og 50% RH, har fuktighet en enorm innflytelse på varmeledningsevnen på grunn av dannelse av SiC-polymorfer med forskjellige krystallstrukturer, for eksempel alfa-SiCs sekskantede krystallstruktur eller beta-modifisert sinkblandingskrystallstruktur.

Motstand mot slitasje

Silisiumkarbidkeramikk er ideelle materialer for industrielle bruksområder på grunn av sin hardhet og styrke, for eksempel slipemidler, ildfaste materialer, kjemisk prosessering, kraftproduksjon, korrosjonsbestandighet og lager/mekaniske tetninger. Korrosjonsbestandigheten gjør dem ideelle for varmevekslere i tøffe miljøer som røykgassavsvovlingsanlegg, mens de væskebaserte bruksområdene gjør dem til det perfekte materialvalget for lagre/mekaniske tetninger/lagre/mekaniske tetninger i væskebaserte systemer.

Silisiumkarbid ble først syntetisk fremstilt og patentert av Acheson i 1897. Produksjonsmetodene omfatter sublimering, karbotermisk reduksjon (Acheson-prosessen), konvertering fra polymerer og kjemiske reaksjoner i gassfasen. Avhengig av produksjonsmetoden kan silisiumkarbid ha ulike renhetsgrader, krystallstrukturer, partikkelstørrelser, former, fordelinger og distribusjoner.

På grunn av sin hardhet og kjemiske stabilitet brukes silisiumkarbidkeramikk i stor utstrekning i slipende maskineringsprosesser som sliping, honing og vannstråleskjæring. I tillegg er dette materialet et utmerket slipemiddel for stein, glass, støpejern og visse ikke-jernholdige metaller som ikke-jernholdige legeringer; i tillegg brukes det ofte i lapidarium på grunn av sin holdbarhet og kostnadseffektivitet. Silisiumkarbid har korrosjonsbestandige egenskaper som gjør at det kan brukes i en rekke ildfaste materialer, blant annet i skurplater og sagger til ovner for keramiske produkter og vertikale sylinderdestillasjonsovner som brukes til sinksmelting. Materialet har også vist seg å være nyttig som foringsmateriale i elektrolyseceller av aluminium, digler og deler av ovnsmaterialer.