Kiselkarbid (SiC)

Kiselkarbid (SiC) är ett av de segaste och starkaste keramiska materialen och behåller sin styrka även vid förhöjda temperaturer. Finns som CVD (chemical vapor deposition), reaktionsbundet eller sintrat.

Tryckfri sintring, varmpressning och reaktionssintring SiC är känt för sin utmärkta syra- och alkaliresistens, men dess böjhållfasthet tenderar att vara låg på grund av dålig brottseghet och grovkorniga strukturer.

Termisk konduktivitet

Kiselkarbid (SiC) är ett extremt hårt, starkt keramiskt material med utmärkta värmeledningsegenskaper och låg specifik värmeledningsförmåga, idealiskt för turbinkomponenter i jetflygplan på grund av dess hållbarhet och satellitundersystem som kräver strålningsbeständighet. På grund av sin låga densitet (ca 3 g/cm3) bidrar det också till bränsleeffektivitet och prestanda; sintrad SiC föredras i allmänhet framför reaktionsbunden SiC för sådana användningsområden.

DC-resistiviteten hos CS-proverna ökade med ökande sintringstemperatur, men minskade under 1900 degC på grund av ojämn fördelning av vätskefaser som förhindrade bärartransport mellan SiC-korn. Omvänt inträffade det motsatta när fler tillsatser tillsattes - polerade ytor visade jämn fördelning av vätskefaser vid högre koncentrationer, vilket bidrog till förtätning av prover som producerats med denna metod.

Anmärkningsvärt var att resistiviteten hos RS-prover var större än de som framställts med lägre sintringstemperaturer; detta kan bero på syrefria sintringsförhållanden som används för RS-förformar, vilket förhindrar reaktioner mellan SiC-pulver och SiO2, vilket har skadliga effekter på sintringsprocessen. Dessutom visade SEM-analys av brottytan för prover som framställts vid 1550 degC fler sintringshalsar som indikerar att sekundära faser förekommer på grund av lägre sintringstemperaturer.

Mekaniska egenskaper

Sintrad sic är ett extremt hårt och slitstarkt material som är utformat för att motstå både abrasivt slitage och kavitationsslitage samt termisk chock, vilket gör det lämpligt för jetmotorkomponenter där temperaturreglering är avgörande, satellitundersystem där strålningsskydd är viktigt samt låg densitet (3-3,2g/cm3) som minskar flygplanets vikt för förbättrad prestanda och bränsleeffektivitet. Det specificeras ofta för användning i jetmotorkomponenter som kräver låga temperaturer samt i satellitundersystem där strålningsskydd måste prioriteras. På grund av dessa egenskaper specificeras den ofta för användning i jetmotorkomponenter där temperaturerna måste hållas låga medan satellitundersystem kräver strålningsskydd av känslig elektronik från strålning från rymdfarkostundersystem där känslig elektronik måste skyddas från strålning från satellitundersystem.

Reaktionsbunden sic tillverkas med hjälp av reaktivt flytande kisel som sprutas in i porösa keramiska kroppar för att reagera med kol och bilda kiselkarbid, som sedan binds med befintliga a-SiC-partiklar för att producera reaktionsbunden sic, ofta till lägre kostnad och hållfasthet än direktsintrad. Reaction bonded sic kanske inte håller lika länge eller är lika stark och seg.

HEC med SiC-whiskers förbättrar brottsegheten genom spricköverbryggande och avböjningsmekanismer, vilket ökar brottsegheten med 67% av teoretisk densitet, medan de som innehåller whiskers uppnår 92% densitet vid 1600 grader Celsius.

Prover som sintrats vid 1950 grader med 5 viktprocent YAG hade en extremt fin mikrostruktur, med kompakta inre strukturer med små kornstorlekar och få porer som avsevärt förbättrade böjhållfastheten och brottsegheten. Tillsatsen av YAG bidrar till att öka densiteten genom att påskynda massöverföringen av SiC; dessutom bidrog större andelar kristallgränser mellan korn till att förhindra sprickutvidgning, vilket resulterade i förbättrad böjhållfasthet och brottseghet.

Mikrostruktur

Kiselkarbid (SiC) har länge ansetts vara ett utmärkt materialval för flyg- och rymdkomponenter som turbinblad till jetmotorer och landningsställ, tack vare dess exceptionella temperaturstabilitet, strålningsresistens, låga vikt och värmeledningsförmåga som sträcker sig från 32 W/m/K upp till 490 W/m/K beroende på mikrostruktur och tillverkningsförhållanden - den senare faktorn påverkar också densitet, skador från strålningsexponering och mekaniska egenskaper hos SiC-keramer.

SiC-pulver kan framställas genom reaktionsbindning eller trycklösa sintringsprocesser som t.ex. varmpressning. De resulterande mikrostrukturerna varierar avsevärt och påverkar i hög grad de mekaniska egenskaperna: Reaktionsbunden SiC har en trombocytliknande alfafasmikrostruktur med enstaka makroskopiska porer (10-100 m), vilket ger upphov till relativt låg brottseghet; i jämförelse har trycklöst sintrad SiC av Hexoloy SA-typ finare mikrostruktur med få porer för överlägsen böjhållfasthet, brottseghet och kemisk resistens än reaktionsbunden SiC.

Hexoloy SA har en spännande mikrostruktur som består av enstaka trombocytliknande alfafaskristaller utspridda bland en liksidig matris av alfakorn med finfördelad mikroporositet och sällsynta makroporer, allt kombinerat till ett extremt rent tillstånd som kan motstå rigorösa korrosionstester. Dessutom visar Hexoloy SA:s röntgendiffraktionsmönster att den dominerande korntillväxtmekanismen har övergått från gränssnittsreaktion till atomdiffusion; och dess diffraktionsspektra visar distinkta Mo- och Ti-toppar med högre intensitet än dess motsvarighet i ljus fas, vilket tyder på lägre syrehalt i dess motsvarighet i grå fas jämfört med dess motsvarighet i ljus fas.

Värmebeständighet

Sintrad sic har många industriella tillämpningar tack vare sin kombination av styrka, hårdhet, korrosions- och oxidationsbeständighet och låga vikt. Från pumptätningar för utmanande miljöer som gruvdrift till motvikter för att stabilisera reaktorkomponenter; sinterad sic-keramik ger ett kraftigt slitageskydd vid höga temperaturer och i miljöer med höga slitagehastigheter.

Sic är ett idealiskt material för skyddsutrustning på grund av sin höga densitet och hårdhet; t.ex. ballistiska pansarplattor som skyddar soldater mot projektiler från skjutvapen och gevär. Dessutom bidrar dess värmeledningsförmåga till att minska värmebelastningen på fordon och kraftmotorer.

Tryckfri sintrad kiselkarbid är ett ekonomiskt, högvärdigt material med utmärkta mekaniska egenskaper som tillverkas i olika former och storlekar för produktion. Tryckfri sintrad kiselkarbid klarar temperaturer upp till 1650 grader Celsius och är ett utmärkt val för precisionsdetaljer som t.ex. finns i avancerad ugnsutrustning.

Reaktionsbunden kiselkarbid (RBSiC) framställs genom reaktionssintring, där flytande kisel eller kisellegering infiltreras i en porös kolhaltig keramisk kropp för att reagera med befintliga a-SiC-partiklar och bilda b-SiC-partiklar. Denna metod ger lägre sintringstemperaturer, kortare sintringstider och en slutprodukt som är nära nettostorlek.

Sintringsprocessen kan dock leda till reaktioner mellan a-SiC och b-SiC som resulterar i nya faser eller flyktiga komponenter som skadar keramiska strukturer. Sintringstillsatser måste därför väljas med omsorg för att maximera förtätningen av b-SiC och påskynda sintringen.