Kiselkarbidblandning

Slipmaterial av kiselkarbid har blivit en oumbärlig del av det moderna lapidariet. Dessutom används detta slitstarka ämne i stor utsträckning för tillverkningstillämpningar och andra industriella uppgifter.

Skottsäkert pansar använder keramiska block tillverkade av keramik för att ge hårda keramiska block som inte kan penetreras av kulor, medan det också har tillämpningar inom metallurgiska och eldfasta områden.

Kiselkarbid finns i olika polymorfa former, varav de vanligaste är alfa-kiselkarbid (a-SiC) med en hexagonal kristallstruktur som liknar wurtzit och beta-kiselkarbid med zinkblendestruktur.

Hårdhet

Kiselkarbid har exceptionell hårdhet, nötningsbeständighet, kemisk inertitet och temperaturtolerans, vilket gör det till ett idealiskt material för applikationer som kräver både stark mekanisk styrka och hög värmeledningsförmåga. Dessutom gör dess korrosionsbeständighet att det är viktigt i många industriella miljöer.

Hårdheten i kiselkarbid kan ökas genom dopning, legering och ytbehandlingstekniker, t.ex. dopning i fast lösning med ammoniumklorid (SSD) i dopningssystem med fast lösning; dopning i fast lösning med fasta lösningar av dopad ammoniumklorid (jonimplantat); kemisk förångningsdeposition. Beläggningar eller plätering kan ytterligare öka hårdheten samtidigt som slitaget minskar och smörjningen förbättras.

Kristallin kiselkarbid förekommer naturligt som mineralet moissanit och syntetiskt framställt i olika kvaliteter med varierande hårdhet, kemisk stabilitet och fysikaliska egenskaper. Den används för slipning av material med låg draghållfasthet som slipmedel, skärverktyg och som en del av eldfasta foder i industriugnar samt som värmeelement i raketmotorer och pumpar, plus halvledande substrat som används med lysdioder (LED).

Kiselkarbid med hög densitet tillverkas genom reaktionsbindning av SiC-korn med kisel, vilket skapar en ogenomtränglig struktur som är ogenomtränglig för syre och skapar ett utökat elektroniskt bandgap jämfört med andra avancerade keramer. Det finns olika kvaliteter av reaktionsbunden kiselkarbid tillgängliga med hårdhet som bestäms av kornstorlek och sammansättning.

Termisk konduktivitet

Kiselkarbid i rent tillstånd är en utmärkt värmeledare, men när den utsätts för föroreningar genom smältning eller blandningsprocesser får den mycket sämre värmeledningsförmåga och hållbarhet. Renheten avgör värmeledningsförmågan och hållbarheten hos kiselkarbid.

Kiselkarbid har både hög eldfasthet och extrem hårdhet, vilket gör det till ett utmärkt material för skärande och slipande applikationer. Dessutom har denna kemikaliebeständiga förening överlägsen kemisk beständighet samt en extremt låg utvidgningskoefficient, vilket gör den till ett populärt val för komponenter som används i kemiska anläggningar eller miljöer som kräver beständighet mot syror eller lut. På grund av den låga expansionskoefficienten är det också ett utmärkt material för mekaniska tätningar i pumpar, kompressorer och andra industrimaskiner.

Kiselkarbid finns i över 215 kristallina former; detta fenomen är känt som polymorfism. Av särskild betydelse är 4H hexagonala och 3C kubiska former. De uppvisar tredimensionella variationer med distinkta lager staplade i följd inom sina strukturer.

Reaktionsbunden kiselkarbid tillverkades för första gången kommersiellt av Acheson 1893 som slipmedel. För att tillverka det kombineras SiC-pulver blandat med pulveriserat kol och mjukgörare till önskad form innan det formas för bränning och infusering med gasformigt kisel eller flytande kol för att bilda fler SiC-kristaller som sedan kan krossas, malas, slipas eller siktas i olika storlekar för att passa olika applikationer.

Hållbarhet

Kiselkarbid (SiC) har många användningsområden tack vare sin hållbarhet. Som ett hårt material som är motståndskraftigt mot korrosion, höga temperaturer och mekaniska skador är SiC ett utmärkt materialval för produkter som bromsar/kopplingar/utlösare i bilar samt skottsäkra västar; SiC står sig också bra när det utsätts för extrema temperaturer, t.ex. i krafthalvledare.

Edward Acheson skapade rubriker 1891 efter att ha upptäckt svarta kristaller av SiC i en elektriskt upphettad smältpanna med kol och aluminiumoxid. Efter att ha utvecklat en metod för kommersiell produktion av SiC fick det snabbt stor spridning som industriellt slipmedel. SiC används också som en integrerad komponent i keramiska broms- och kopplingskomponenter som används i bilar.

Rena SiC-kristaller förekommer naturligt som det sällsynta mineralet moissanit, men den största delen av den kommersiella produktionen sker i form av pulver och granulat som tillverkas genom Acheson-processen. SiC är mycket tätt med en extremt låg smältpunkt på 2.730degC och erbjuder enastående kemisk stabilitet - det motstår korrosion från de flesta syror utan att skadas.

SiC har få toxiska effekter i djurstudier och är lättlösligt i smälta alkalier och järn, men arbetare som ofta tillverkar eller använder slipmedel av karborundum löper risk att utveckla lungfibros som liknar silikos - samtidigt som exponering för dess damm också ökar risken för lungcancer.

Tillämpningar

Kiselkarbid förekommer naturligt som mineralet moissanit, men har massproducerats som slipmedel sedan 1893. Detta extremt hårda material används i slipskivor och andra slipande bearbetningsapplikationer som kräver seghet och hållbarhet; dessutom är det en ingrediens som finns i keramik- och glastillverkning för lappning och polering för att uppnå exakta dimensioner och ytor.

Kiselkarbid är ett viktigt material i elektronik och halvledarkomponenter som används i tuffa miljöer med höga temperaturer eller spänningar, inklusive elektronik som tål värme, vibrationer, kemiska angrepp och mekaniska tätningar i utmanande miljöer som inkluderar starkt korrosiva förhållanden. Mekaniska tätningar av kiselkarbid ger ökad tillförlitlighet under dessa tuffa förhållanden jämfört med alternativ och ger tillförlitlig prestanda under en rad olika förhållanden, inklusive mycket krävande förhållanden som pump- och kompressorapplikationer.

SiC är normalt en elektrisk isolator, men med kontrollerade tillsatser av föroreningar kan det fungera som en halvledare. Dopning med aluminium, bor, gallium och gallium ger halvledare av P-typ, medan dopning med föroreningar som fosfor och kväve ger halvledare av N-typ, vilket gör det möjligt att tillverka elektroniska apparater med 10 gånger snabbare kopplingsfrekvenser än vad som är möjligt med traditionella kiselapparater.

Kiselkarbidens utmärkta termiska och mekaniska egenskaper gör det till ett viktigt material i utvecklingen av elfordon, eftersom det bidrar till att förbättra kraftomvandlingssystemen i elmotorer samtidigt som det minskar deras storlek och komplexitet.