Tehokas piikarbidilaatta teollisuuskäyttöön

Piikarbidikeramiikalla on laaja valikoima ominaisuuksia, kuten korkean lämpötilan lujuus, erinomainen kulutuskestävyys, pieni lämpölaajeneminen ja kemiallinen korroosionkestävyys – ominaisuuksia, joiden ansiosta se on korvaamaton esimerkiksi petrokemian, kone- ja sähköteollisuuden, ympäristönsuojelun, ilmailu- ja avaruusteollisuuden sekä tietotekniikan aloilla.

Oksidilla sidottuja piikarbidipaloeristeitä käytetään laajalti jätteiden energiakäyttölaitosten (WtE) palotiloissa, joissa niiden on kestettävä ankaria termokemiallisia rasituksia, jotka vaarantavat niiden toimintakyvyn ja heikentävät suorituskykyä.

Korroosionkestävyys

Piikarbidi on korroosionkestävyydeltään ylivoimainen verrattuna perinteisiin materiaaleihin, kuten teräkseen ja alumiiniseoksiin, minkä vuoksi se on ihanteellinen materiaali teollisiin sovelluksiin, joissa käytetään vahvoja happoja, emäksiä tai syövyttäviä kaasuja. Perinteiset metallit ruostuvat usein ajan myötä tällaisissa ympäristöissä, mikä heikentää niiden toimivuutta tai johtaa vikaantumiseen; piikarbidi sen sijaan säilyttää erinomaisen kestävyytensä, minkä vuoksi se on korvaamaton materiaali esimerkiksi metallurgian, lasinvalmistuksen ja keramiikan aloilla.

Muotoiltuja, silikonidioksidilla sidottuja tulenkestäviä materiaaleja käytetään laajalti jätteiden energiakäyttölaitoksissa (WtE) savukaasujen lämmön tehokkaaseen siirtoon ja vesiseinäisen kattilan putkien suojaamiseen, mutta ne vaurioituvat kuonavaiheiden ja kaasumaisten alkaliskloridien muodostumisen vuoksi. Vaikka useat kirjoittajat ovat kuvanneet yksityiskohtaisesti näitä syövyttäviä aineita ja niiden termokemiallisia vuorovaikutuksia tulenkestävien vuorausmateriaalien kanssa, niiden aiheuttamien vaurioiden mekanismien ymmärtämisessä on edelleen aukkoja; tämän seurauksena tutkijat ovat tutkineet erilaisia sintrausmenetelmiä ja lisäaineita paineettomasti sintratun SiC:n mikrorakenteen ja ominaisuuksien suhteen paineettomissa olosuhteissa.

Kulumiskestävyys

Piikarbidikeraaminen materiaali erottuu yhtenä kestävimmistä teknisistä keraamisista materiaaleista, ja sille on ominaista erinomainen lujuus ja kestävyys sekä korroosionkestävyys. Sintrausmenetelmien avulla tätä keraamista materiaalia voidaan valmistaa lukuisiin teollisiin käyttötarkoituksiin, kuten kuulapuhallussuuttimiin tai pyörivien tiivisteiden osiin.

Tätä materiaalia on saatavana kahdessa muodossa: reaktiosidottuna ja paineettomasti sintratuna piikarbidina (p-SSIC). Erilaiset valmistusmenetelmät vaikuttavat merkittävästi materiaalin lopulliseen mikrorakenteeseen, mikä johtaa kussakin tapauksessa erilaisiin suorituskykyominaisuuksiin.

P-SSIC:llä on sama kiderakenne kuin timantilla, minkä ansiosta se on erittäin luja ja kulutusta kestävä. Sitä käytetään monissa teollisissa sovelluksissa hioma-aineena, ja sen tetraedriset kiteet ovat erittäin kovia Mohsin kovuusasteikolla mitattuna ja erittäin vakaita, mikä takaa poikkeuksellisen kulutuskestävyyden. P-SSIC-keraaminen materiaali kestää jopa sellaisia lämpötiloja, joita monoliittiset keraamit eivät kestä, kuten suihkumoottorien roottoreissa ja rakettien suuttimissa esiintyviä lämpötiloja, sekä happojen tai fluorivetyhapon aiheuttamaa kemiallista korroosiota.

Iskunkestävyys

Piikarbidikeraamilla on uskomaton iskunkestävyys. Tällä materiaalilla on erinomainen puristuslujuus ja ominaisjäykkyys verrattuna oksidi- tai hiilikuituisiin CMC-materiaaleihin sekä useimpiin metallisiin superseoksiin, ja se soveltuu samalla korkean lämpötilan olosuhteisiin, minkä ansiosta se sopii ilmailu- ja avaruusteollisuuden sovelluksiin, kuten kuulapuhallussuuttimiin tai syklonierottimien komponentteihin.

Tutkimukset osoittavat, että rakenteelliset ei-oksidimateriaalit, kuten SiC/SiC-CMC-järjestelmät, kestävät jopa 1300 °C:n lämpötiloja, kun ne on vahvistettu matalan moduulin kudotuilla ja kvasisotrooppisilla laminoiduilla piikarbidikuiduilla, kuten Hi-Nicalonilla, ilman että niiden mekaaniset ominaisuudet heikkenevät [142]. Nämä tulokset tukevat sitä, että kemiallisen höyryinfiltraatiomenetelmän (CVI) avulla valmistetut SiC/SiC-CMC-materiaalit ovat monoliittisia vastineitaan parempia virumis- ja väsymiskäyttäytymisen suhteen.

Hi-Nicalonilla vahvistetut SiC/SiC-CMC-materiaalit ovat myös osoittaneet erinomaista lämmönkestävyyttä verrattuna hiilikuituihin tai monoliittisiin SiC-keraameihin [129]. Tämä erinomainen lämpöstabiilisuus ja murtolujuus voivat johtua niiden alhaisemmasta tiheydestä ja lämpölaajenemiskertoimesta verrattuna monoliittisiin keraameihin.

Lämmönkestävyys

Piikarbidi kestää erittäin korkeita lämpötiloja ilman, että se hajoaa, minkä vuoksi se on erinomainen materiaalivalinta virtalähteisiin, inverttereihin ja teollisuuden tuotantolaitteisiin, kuten robotteihin. Energiatehokkuutta, luotettavuutta ja suorituskykyä voidaan myös parantaa hyödyntämällä sen erinomaista lämmönkestävyyttä ja vaurionkestävyyttä verrattuna perinteisiin metallisiin superseoksiin, hiili-/oksidi-CMC-komposiitteihin tai monoliittisiin keraamisiin materiaaleihin [129,132]. Hi-Nicalonin kaltaisilla matalan moduulin SiC-kuiduilla vahvistettua piikarbidia käytetään kemiallisessa höyryinfiltraatioprosessissa luomaan ei-oksidisia piikarbidimatriisikomposiitteja (SiC/SiC-CMC:t), joilla on parannetut mekaaniset ominaisuudet, kuten suurempi murtolujuus, parempi virumis- ja väsymiskäyttäytyminen, monoliittisiin vastineisiinsa verrattuna suuremman jännityskestävyyden sekä kyvyn kestää äärimmäisiä jännitysolosuhteita pitkiä aikoja. [133,134]

CMC-materiaalien valmistuksessa käytetään neljää perusmateriaalia: hiiltä, titaanikarbidia, volframikarbidia sekä nikkeli-kromi-sideaineella sidottuja matriiseja.