Luotettava piikarbidilaatta raskaaseen käyttöön

Piikarbidi on poikkeuksellinen materiaali, jolla on erinomainen kovuus ja kemiallinen kestävyys, minkä ansiosta se on erinomainen valinta teollisuusympäristöihin, joissa materiaali joutuu usein kulutukselle alttiiksi. Lisäksi sen alhainen lämpölaajenemiskerroin vähentää iskujen riskiä.

Keraamiset levyt (joita kutsutaan myös laatoiksi) toimivat keskeisenä tukielementtinä monissa uuni- ja polttouunirakenteissa, mukaan lukien SiC-uunit. Piikarbidilevyt tarjoavat merkittäviä paino- ja energiansäästöjä verrattuna kordieriittilevyihin.

Korkean lämpötilan kestävyys

Piikarbidi on erittäin kestävä keraaminen materiaali, joka on suunniteltu kestämään korkeita lämpötiloja, lämpöshokkeja, nopeita lämpötilanvaihteluita ja säteilyä – ominaisuuksia, joiden ansiosta se sopii erinomaisesti ilmailu- ja avaruusteollisuuden sovelluksiin, kuten avaruusaluksiin. Lisäksi piikarbidin kevyt rakenne vähentää kiertoradalle tai muille planeetoille pääsemiseksi tarvittavan polttoaineen määrää.

Nitridisidottu piikarbidi (NB SiC) kestää hyvin äärimmäisiä olosuhteita erinomaisen lämmönkestävyytensä ja virumiskestävyytensä ansiosta sekä murtolujuutensa, virumis- ja hapettumiskestävyytensä ja kemiallisen stabiilisuutensa vuoksi – nämä ominaisuudet mahdollistavat sen rakenteellisen lujuuden säilymisen jopa rasituksen alaisena [129]. Lisäksi sen pienempi tiheys, suurempi vaurionkestävyys ja suurempi lujuus ylittävät metalliset superseokset, oksidi/oksidi-CMC-materiaalit tai monoliittiset SiC-keraamit [129].

Piikarbidilaatat ovat jo pitkään olleet ilmailu- ja avaruusteollisuuden insinöörien ensisijainen valinta niiden korkean lämpötilan- ja kitkakestävyyden ansiosta. Kovuutensa ja alhaisen tiheytensä ansiosta NB SiC -laattoja valitaan usein hypersonisten lentokoneiden, ohjusten kärkikartioiden ja avaruusalusten komponenttien valmistukseen.

Erinomainen kemikaalinkestävyys

Kemikaalinkestävyys on olennaisen tärkeää materiaaleissa, jotka on suunniteltu erilaisiin käyttötarkoituksiin. Se varmistaa, että tulostetut osat säilyttävät toimintakykynsä huolimatta pitkäaikaisesta altistumisesta voimakkaille kemikaaleille, kuten puhdistusaineille, reagensseille tai alkoholipyyhkeille.

Vahva kemiallinen kestävyys edellyttää useita keskeisiä ominaisuuksia, kuten alhaista huokoisuutta, minimaalista turpoamista ja hajoamista sekä hyviä mekaanisia ominaisuuksia ja kestävyyttä jopa mekaanisen rasituksen ja lämpösyklien alaisena. Todellinen kemiallinen kestävyys edellyttää näiden tekijöiden yhdistelmää.

PEEK- ja piikarbidista (SiC) valmistetut keraamiset matriisikomposiitit tarjoavat erinomaisen kemiallisen kestävyyden. Nikkelisideaineella varustetut piikarbidiset CMC-komposiitit ovat kulutuskestävyydeltään, virumiskestävyydeltään ja säteilynkestävyydeltään ylivoimaisia verrattuna muihin SiC-keraamisiin materiaaleihin, kuten oksidi/oksidi-CMC-komposiitteihin tai monoliittiseen SiC:hen [129]. Metallien tiheys ja paino ovat suuremmat kuin CMC-komposiittien; niillä on poikkeuksellinen vetolujuus, vaurionkestävyys ja lämpötilankestävyys, ja ne ovat sitkeämpiä kuin mikään muu CMC-materiaali. Lisäksi CMC-komposiitit ovat kevyempiä ja niiden tiheys on pienempi kuin metallien; siksi ne tarjoavat enemmän etuja metallien verrattuna fysikaalisten ominaisuuksien ja sovellusmahdollisuuksien suhteen. Nikkelisideaineella varustetut SiC/SiC-CMC-komposiitit voidaan myös kyllästää ja tiivistää ilman perinteisiä ruiskupuristusvaiheita, mikä yksinkertaistaa tuotantoa [129]. Lisäksi näiden komposiittien on osoitettu olevan metallisia lentokonemoottorien superseoksia parempia virumis- ja hapettumiskestävyyden suhteen [131,132].

Erinomainen kulutuskestävyys

Piikarbidikeraamisilla matriisikomposiiteilla on erinomainen kulutuskestävyys, mikä tarkoittaa, että ne kestävät kovia hiukkasia tai pintoja ilman, että niihin syntyy kulumisvaurioita. Kiinteillä pinnoilla on poikkeuksellinen puristuslujuus ja ominaisjäykkyys; nämä kaksi mekaanista ominaisuutta kuvaavat materiaalin kykyä kestää kuormituksia murtumatta rasituksen alaisena. Nämä materiaalit kestävät myös erinomaisesti lämpöshokkeja, mikä tarkoittaa, että ne kestävät äkillisiä lämpötilanvaihteluita murtumatta tai halkeilematta. Nitridisoitu piikarbidi (NB SiC) voidaan valmistaa nitridointiprosessilla, jossa kuumennetaan valikoima NB SiC -rakeita yhdessä typpeä sisältävän yhdisteen, kuten piinitridin tai ammoniakin, kanssa. Näin luodaan ympäristö, joka edistää rakeiden välistä sitoutumista ja tuottaa tiheitä ja joustavia materiaaleja.

Nikkeliä lisätään usein nitridillä sidottuun piikarbidiin sen sitkeyden ja murtolujuuden parantamiseksi, minkä ansiosta sen sitkeys ja vaurionkestävyys ovat paremmat kuin hiilikuidulla ja oksidi/oksidi-CMC-materiaaleilla, monoliittisilla SiC-keraameilla [129] tai muilla monoliittisilla metalleilla, kuten WC-Co:lla [131]. Lisäksi nikkeli tarjoaa huomattavasti paremman lämmönkestävyyden kuin monoliittiset metallit, kuten WC-Co

Alhainen tiheys

Piikarbidin alhainen tiheys tekee siitä ihanteellisen materiaalin korkean suorituskyvyn ilmailu- ja avaruussovelluksiin. Lentokoneiden on oltava kevyitä polttoaineenkulutuksen minimoimiseksi, mutta niiden on silti kestettävä lennossa syntyviä voimia sekä törmäyksiä kohteisiin. Lisäksi piikarbidin kovuus tekee siitä sopivan materiaalin ohjusten kärkikartioiden valmistukseen, joiden on kestettävä kitkalämpöä sekä törmäyksiä kohteisiin.

Nitridiliitoksella sidottu piikarbidi (NB SiC) on tiheydeltään kevyempää kuin sintrattu SiC, minkä vuoksi se sopii paremmin korkean suorituskyvyn sovelluksiin. Tätä materiaalia voidaan valmistaa useilla eri menetelmillä, kuten reaktioliitoksella sekä SiC:n, hiilen ja metallisen piin silikoinnilla.

O12 mm:n teräsammuksen laukaisussa käytettiin tarkkoja CT-kuvauksia pyöreän NB SiC-keraamisen laatan ballistisen suorituskyvyn analysointiin; laattaan oli kohdistettu esijännitys, ja sen ballistista suorituskykyä testattiin Hertz-kartion reikämorfologiatestissä esijännityksen avulla. CT-tulokset osoittivat, kuinka esijännitys vaikutti Hertz-kartion muodostumiseen: vapaasti liikkuvalla näytteellä C2 kartion muodostuminen oli vähäistä, kun taas esijännitetyssä näytteessä C4 kartion muodostuminen oli vaurioituneempaa; tämä viittaa siihen, että rajoittaminen voisi parantaa ballistista suorituskykyä kokonaisuudessaan.