Megbízható szilícium-karbid lap nagy terhelésű alkalmazásokhoz

A szilícium-karbid kivételes keménységgel és kémiai ellenállással rendelkező anyag, ami kiváló választássá teszi olyan ipari környezetekben, ahol gyakori a kopás. Ezen felül alacsony hőtágulási együtthatója csökkenti az ütközés kockázatát.

A kerámia szigetelőtáblák (más néven csempék) számos kemence- és fűtőberendezés szerkezetében – beleértve a SiC-kemencéket is – a központi tartóelemként szolgálnak. A szilícium-karbid szigetelőtáblák jelentős súly- és energiamegtakarítást biztosítanak a kordieritből készült társaikhoz képest.

Magas hőmérsékleti ellenállás

A szilícium-karbid egy rendkívül tartós kerámiaanyag, amelyet úgy terveztek, hogy ellenálljon a magas hőmérsékletnek, a hőhatásnak, a hirtelen hőmérséklet-változásoknak és a sugárzásnak – ezek a tulajdonságok teszik ideális választássá az űrhajózási alkalmazásokhoz, például az űrhajókhoz. Ezenkívül a szilícium-karbid könnyű szerkezete csökkenti a pályára álláshoz vagy más bolygók eléréséhez szükséges üzemanyag-igényt.

A nitriddel kötött szilícium-karbid (NB SiC) kiváló hő- és kúszásállóságának, valamint törésszilárdságának, kúszás- és oxidációs ellenállásának, törésszilárdságának és kémiai stabilitásának köszönhetően jól bírja a szélsőséges környezeti feltételeket – ezek a tulajdonságok lehetővé teszik számára, hogy terhelés alatt is megőrizze szerkezeti szilárdságát [129]. Ezen felül alacsonyabb sűrűsége, nagyobb károsodás-toleranciája és nagyobb szilárdsága felülmúlja a fém szuperötvözeteket, az oxid/oxid CMC-ket vagy a monolit SiC kerámiákat [129].

A szilícium-karbid lapok magas hőmérsékletnek és súrlódásnak való ellenállásuk miatt már régóta az űrhajózási mérnökök első számú választásai. Keménységüknek és alacsony sűrűségüknek köszönhetően az NB SiC lapokat gyakran választják hiperszonikus repülőgépek, rakéták orrkúpjai és űrhajó-alkatrészek gyártásához.

Kiváló vegyi ellenállás

A kémiai ellenállóság elengedhetetlen a különböző alkalmazásokra tervezett anyagok esetében. Ez biztosítja, hogy a nyomtatott alkatrészek még a tisztítószerek, reagensek vagy alkoholos törlőkendőkhez hasonló erős vegyszerekkel való hosszabb idejű érintkezés ellenére is működőképesek maradjanak.

A kiváló kémiai ellenállósághoz több kulcsfontosságú tulajdonságra van szükség, többek között alacsony porozitásra, minimális duzzadásra és lebomlásra, valamint jó mechanikai tulajdonságokra és tartósságra még mechanikai igénybevétel és hőciklusok mellett is. Ahhoz, hogy egy anyag valóban kémiailag ellenálló legyen, ezeknek az elemeknek együttesen kell jelen lenniük.

A PEEK és a szilícium-karbid (SiC) kerámia mátrixú kompozitok kiváló kémiai ellenállást biztosítanak. A nikkel kötőanyaggal rendelkező szilícium-karbid CMC-k más SiC-kerámiákhoz – például az oxid/oxid CMC-khez vagy a monolitikus SiC-hez – képest kiemelkedő kopásállósággal, kúszásállósággal és sugárzásállósággal rendelkeznek [129]. A fémek sűrűsége és tömege nagyobb, mint a CMC-ké; kivételes szakítószilárdsággal, károsodás-tűrőképességgel és hőmérsékleti tulajdonságokkal rendelkeznek, valamint nagyobb szívósságot mutatnak, mint bármely más CMC-anyag. Ráadásul a CMC-k könnyebbek és alacsonyabb sűrűségűek, mint a fémek; ezért fizikai tulajdonságaik és alkalmazási lehetőségeik tekintetében több előnyt kínálnak velük szemben. A nikkel kötőanyaggal rendelkező SiC/SiC CMC-k a hagyományos fröccsöntési (MI) lépések alkalmazása nélkül is átitathatók és sűríthetők, ami egyszerűbbé teszi a gyártást [129]. Ezen túlmenően ezek a kompozitok a repülőgép-hajtóművekben használt fém szuperötvözeteknél jobb kúszási és oxidációs ellenállással rendelkeznek [131,132].

Kiváló kopásállóság

A szilícium-karbid kerámia mátrixú kompozitok kiemelkedő kopásállósággal rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy kemény részecskékkel vagy felületekkel való érintkezésnek is ellenállnak anélkül, hogy kopásos károsodást szenvednének. A szilárd felületek kivételes nyomószilárdsággal és fajlagos merevséggel rendelkeznek; ez a két mechanikai tulajdonság jelzi, hogy az anyag milyen mértékben képes terhelést elviselni anélkül, hogy feszültség hatására megrepedne. Ezek az anyagok emellett rendkívül ellenállóak a hőmérsékleti sokkhatásokkal szemben is, ami azt jelenti, hogy hirtelen hőmérséklet-ingadozásokat is kibírnak repedés vagy törés nélkül. A nitridkötésű szilícium-karbid (NB SiC) a nitridálás néven ismert eljárással állítható elő, amelynek során különböző NB SiC-szemcséket nitrogéntartalmú vegyülettel, például szilícium-nitriddel vagy ammóniával együtt hevítik, hogy olyan környezetet hozzanak létre, amely elősegíti a szemcsék közötti kötődést, és sűrű, rugalmas anyagokat eredményez.

A nitridkötésű szilícium-karbidhoz gyakran adnak hozzá nikkelet a szilárdság és a törésállóság növelése érdekében, ami jobb szilárdságot és sérülésállóságot eredményez, mint a szénszálas és az oxid/oxid CMC-k, a monolit SiC kerámiák [129] vagy más monolit fémek, például a WC-Co [131]. Ezen felül a nikkel sokkal magasabb hőmérsékleti tűrőképességet biztosít, mint a monolit fémek, például a WC-Co

Alacsony sűrűség

A szilícium-karbid alacsony sűrűsége ideális anyaggá teszi a nagy teljesítményű repülőgépipari alkalmazásokhoz. A repülőgépeknek könnyűnek kell lenniük az üzemanyag-fogyasztás minimalizálása érdekében, ugyanakkor képesnek kell lenniük ellenállni a repülés során keletkező erőknek, valamint a célpontokkal való ütközéseknek. Ezenkívül a szilícium-karbid keménysége alkalmassá teszi rakéták orrkúpjainak gyártására, amelyeknek ki kell bírniuk a súrlódási hőt, valamint a célpontokkal való ütközést.

A nitridkötésű szilícium-karbid (NB SiC) sűrűsége alacsonyabb, mint a szinterelt SiC-é, ezért jobban megfelel a nagy teljesítményű alkalmazásokhoz. Ez az anyag számos gyártási eljárással előállítható, többek között a SiC, a szén és a fémes szilícium reakciókötésével és szilikonizálásával.

Egy 12 mm-es acél lövedék kilövése során nagy felbontású CT-felvételeket használtak egy előfeszítéssel ellátott, kör alakú NB SiC kerámialap ballisztikai teljesítményének elemzésére, és a ballisztikai teljesítményt egy Hertz-kúp lyukmorfológiai vizsgálat keretében, előfeszítés alkalmazásával tesztelték. A CT-vizsgálatok eredményei megmutatták, hogy az előfeszítés hogyan befolyásolta a Hertz-kúp kialakulását: míg a C2 jelű, korlátozás nélküli minta esetében a kúp kialakulása korlátozott volt, addig a C4 jelű, előfeszített minta esetében a kúp kialakulása jelentősen károsodott; ez arra utal, hogy a korlátozás összességében javíthatja a ballisztikai teljesítményt.