Kerámia-szilícium – kulcsszerepet játszik a gyártási alkalmazásokban

A kerámia-szilikon bevonat számos előnnyel jár minden autó számára: nem mérgező, és védelmet nyújt a rozsda, a lepattogzás és a karcolások ellen. A kerámia-szilikon környezetbarát alternatívát kínál a hagyományos festékekhez és bevonatokhoz képest.

A kerámia bevonat két természetes anyagból áll: szilikonból és oxigénből. Rendkívül tartós, és szakértői vizsgálattal megállapítható, hogy van-e rajta sérülés vagy kopás.

Erő

A kerámia-szilícium szilárdsága miatt számos gyártási területen kulcsfontosságú szerepet játszik, a sugárhajtóművektől kezdve az orvosi implantátumokig. A szilícium-karbidot és a szilícium-nitridet felhasználó fejlett műszaki kerámiákból olyan termékek készülnek, amelyek különleges tulajdonságokkal rendelkeznek, például rendkívüli hőállósággal vagy kopásállósággal.

A szilícium-nitrid számos ipari berendezésben megtalálható, a kohászati berendezésektől – például az olvasztótégelyektől és az égőfúvókáktól – kezdve az alumínium-elektrolízis-cellák bélésén át egészen az autóipari szerszámgépekig és a repülőgépipari alkalmazásokig. A szilícium-nitrid kiemelkedő hőmérsékleti sokkállóságot biztosít.

A kerámiával megerősített műanyag (CRP) anyagok képesek ellenállni a kopásnak és a hőhatásnak kitett szélsőséges környezeti feltételeknek, ezért kopásállóságra és ütésvédelemre egyaránt alkalmasak. Ezenkívül ezek a kerámiák kiváló törésszilárdsággal rendelkeznek – ami azt jelenti, hogy a repedések csak akkor terjednek gyorsan tovább, ha elérik az adott terhelési értékekhez tartozó kritikus hosszúságot –, ami jelentős előnyt jelent az oxidalapú kerámiákkal szemben, amelyek terhelés hatására általában megrepednek.

Keménység

A szilícium-karbidot számos olyan fejlett műszaki kerámiában alkalmazzák, amelyeket hő- és mechanikai szempontból igényes körülményekhez terveztek: ide tartoznak a keménységüknek köszönhetően kopásálló anyagok, az alacsony hőtágulási tulajdonságokkal rendelkező, magas hőmérsékletnek ellenálló tűzálló anyagok, valamint az elektronika, ahol korrózió- és oxidációállósága felbecsülhetetlen értékűnek bizonyul. Ezekben a különböző alkalmazási területeken széles körben használják.

Ennek az anyagnak a törésszilárdsága 6,8 MPa m⁰,⁵, ami jól mutatja, hogy mennyire képes ellenállni a repedés terjedésének. Hajlítószilárdsága 490 MPa. Végül, 32 GPa-s Mohs-keménysége az ismert legkeményebb anyagok közé sorolja – csak a gyémánt és a bór-karbid keményebb nála.

A kerámia keménységének mérése a Knoop- vagy a Vickers-mikrokeménységi módszerrel végezhető el; a Vickers-módszer esetében négyzet alakú piramis alakú benyomót használnak, amely a vizsgálati minták repedését okozhatja. Mindkét technika megköveteli egy megfelelően felszerelt mikroszilárdság-mérő készülék használatát, amely megfelelő terhelés- és elmozdulás-érzékelőkkel van ellátva az olyan zavaró tényezők minimalizálása érdekében, mint a gép rugalmassága és a minta-behatoló test közötti érintkezési hiba; továbbá a mintáknak mentesnek kell lenniük minden olyan bevágástól, karcolástól vagy bármilyen horzsolástól, amely repedést okozhat; továbbá az alak, a méret és a kialakítás mind szerves részét képezik a mechanikai tulajdonságoknak – az éles élek, a szűk sarkok és a vékony szakaszok repedéseket okozhatnak az alkatrészekben, ami befolyásolja a mechanikai tulajdonságokat, és a vastagságnak is alapvető szerepe van.

Stabilitás

A kerámia-szilícium keménysége és kémiai ellenállása miatt vonzó anyag a fejlett műszaki alkalmazásokhoz. A gyártók általában más anyagokkal kombinálják, hogy egyedi tulajdonságokkal – például rendkívüli hő- vagy kopásállósággal – rendelkező, testreszabott összetételeket állítsanak elő.

A teljesen sűrű Si3N4 kerámiák nagy szakítószilárdsággal rendelkeznek, ami ellenáll a nyúlásnak, valamint kiemelkedő hajlítószilárdsággal bírnak, ami megakadályozza a folyást vagy a katasztrofális törést keresztirányú igénybevétel esetén. Ezen felül ezek a kerámiák kiemelkedő korrózióállósággal és hőmérsékleti sokkállósággal rendelkeznek – ezek ideális tulajdonságok olyan zord üzemi körülmények között, amelyek a hagyományos fémanyagok működését veszélyeztethetik.

A széntartalmú és szénmentes PDC SiC-minták atomszerkezeteiből kitűnik, hogy ezek a kerámiák rövid hatótávolságú rendezettséget mutatnak, amely sarokpontokat megosztó SiOxC4-x tetraéderekből és szabad szén-nanodoménokat tartalmazó üregekből álló tömegfraktál-hálózat formájában jelenik meg. A hőstabilitás értékelése során bevágást ejtenek a mintába, majd megmérik a repedésállóságot; az eredmények azt mutatják, hogy a vegyes kötésű SiOC PDC kerámiák ellenállóbbak.

Biokompatibilitás

A kerámia-szilíciumot széles körben használják az orvosi iparban sebészeti maszkok, fogászati implantátumok, főzéshez használt tapadásmentes serpenyők vagy spatulák gyártásához, valamint olyan termékek előállításához, amelyek nagy tartósságot igényelnek – jellemzően olyan zord környezetekben, ahol más kerámiaanyagok idővel megrepednének, deformálódnának vagy eltörnének. A kerámia-szilícium sokoldalúsága miatt olyan konyhai eszközökben is megtalálható, amelyeknél nagy szerepet játszanak a tapadásmentes felületek, ideértve a tapadásmentes serpenyőket is.

Az orvosok egyre nagyobb érdeklődést tapasztalnak olyan fejlett biológiai anyagok kifejlesztése iránt, amelyek megfelelnek bizonyos fizikai és kémiai követelményeknek. Ezeknek az anyagoknak egyszerre kell bioinertnek és hermetikusnak lenniük, hogy elkerülhető legyen a betegek immunválaszának kiváltása, illetve a káros anyagok környezetbe jutása.

Az alumínium-oxid és a cirkónium-oxid a legfontosabb kerámia-oxidok közé tartoznak az olyan orvosbiológiai alkalmazásokban, mint a csontszövet-helyreállítás vagy a teljes csípő- és térdprotézis-beültetés. Mindkét anyag inert, alacsony neutronszórást mutat, ugyanakkor kiváló kopásállóságot és kopásálló tulajdonságokat biztosít. A szilícium-nitrid kiváló mechanikai tulajdonságokkal, valamint biokompatibilitással, röntgenáteresztő képességgel, antibakteriális tulajdonságokkal és a gerincimplantátumokhoz szükséges osseointegrációs jellemzőkkel rendelkezik.

Vegyi anyagokkal szembeni ellenállás

A kerámiák a fémekhez képest kiemelkedő ellenállást nyújtanak a kémiai lebomlással szemben, ezért ideális anyagválasztásnak bizonyulnak olyan alkalmazásokhoz, amelyek hosszú távú teljesítményt és környezeti hatásokkal szembeni ellenállást igényelnek. Számos műszaki kerámiaanyag (különösen az oxidok) szilárdságát ionos kötések biztosítják, ami jelentősen növeli a kémiai ellenállási tulajdonságaikat.

A szilícium-nitrid szobahőmérsékleten bizonyította ellenállóképességét a legtöbb savval szemben, például a kénsavval és a sósavval szemben. Ezen felül ellenáll azoknak a klórvegyületeknek is, amelyeket általában az élelmiszer-, ital-, gyógyszer- és repülőgépiparban használnak a gyártóberendezések fertőtlenítésére.

A szilícium-nitrid tulajdonságai miatt ideális anyag az atomi erőmikroszkópok mérőhegyeinek (kiegészítő karok) gyártásához, elősegítve a minták atomi szintű felbontását. Ezen felül kiváló törésszilárdsága és hőmérsékleti sokkállósága miatt a szilícium-nitridot gyakran használják színesfém-olvasztáshoz szükséges alkatrészekben, valamint az alumíniumolvasztó vállalatok által használt hegesztőcsapokban. Ezen felül a sialon nagy szilárdsággal, hőstabilitással és kémiai ellenállással rendelkezik, ami alkalmassá teszi űrhajózási alkalmazásokra.