Fördelar med kiseliserad kiselkarbid

Kiselkarbid står sig väl mot korrosion, nötning och erosion; ger kraftfulla slipmedel; tål höga temperaturer i kemiska anläggningar och pappersbruk; ger ett imponerande slipmedel; är motståndskraftigt mot slitage i rörsystem - ett enastående materialval överlag!

Föreliggande uppfinning avser ett kiseliserat kiselkarbidmaterial som kännetecknas av dess alfa- (a-SiC) eller beta- (b-SiC) kiselkarbidmatris med öppen porositet som innehåller kisel; varigenom kisel fyller dess porer för att bilda en komposit med mindre än 4 vol % slutlig porositet.

Motståndskraft mot höga temperaturer

Kiselkarbid är ett extremt tåligt material. Det klarar höga temperaturer samtidigt som strukturen förblir intakt, vilket gör det till ett idealiskt materialval för miljöer som kräver motståndskraft mot extrem värme. Dessutom tål kiselkarbid elektriska fältspänningar som är ungefär tio gånger högre än kisel.

Kiselkarbidens höga hållfasthet och låga densitet gör den till ett idealiskt keramiskt material för användning i kemiska anläggningar, kvarnar, expandrar och munstycken. Materialet är mycket motståndskraftigt mot korrosion, nötning och erosion samt friktionsslitage och har en enastående Young-modul på över 400 gPa samt exceptionell beständighet mot syror och lut.

SiC:s atomgitter består av bindningar mellan kol- och kiselatomer i en sammankopplad struktur som ger materialet dess hårdhet och mekaniska styrka, liksom andra egenskaper som låg densitet, hög elasticitetsmodul, inerthet, utmärkt värmeledningsförmåga och minskad värmeutvidgning.

Kiselkarbidens imponerande hållbarhet förnekar dess förmåga att snabbt absorbera energi och överföra den, vilket gör den idealisk för applikationer som radiofrekvensteknik som kräver snabba växlingshastigheter med minimal strömförlust och mindre enheter samtidigt som den erbjuder liknande prestanda.

Hög hållfasthet

Kiselkarbid har exceptionella egenskaper vad gäller styrka, hårdhet och motståndskraft mot termisk chock. Det är ett icke-korrosivt material som tål temperaturer upp till 1600 grader Celsius utan att försämras och har utmärkt slaghållfasthet och böjmotstånd, vilket gör det lämpligt för lastbärande applikationer.

Kiselkarbid skiljer sig från kisel genom att dess atomer bildar fyra bindningar istället för två, vilket gör materialet mycket starkare än dess kiselbaserade motsvarighet och kan motstå nästan tio gånger så stora elektriska fält. Dessutom har det hög värmebeständighet och låg termisk expansionskoefficient, vilket gör det till ett idealiskt material att använda i en rad olika industriella applikationer.

Kiselkarbidens kemiska sammansättning av fyra kol- och kiselatomer i fyra tetraedrar ger en extremt tät struktur. Kiselkarbid är ett extremt tåligt material som klarar höga temperaturer, smälta salter och syror utan att brytas ned eller lösas upp.

Kiselkarbid kan framställas genom flera processer, bland annat reaktionsbindning och sintring, där varje metod förändrar mikrostrukturen i den slutliga formen. Reaktionsbunden SiC bildas genom att kompakter av blandningar av kisel och kol infiltreras med flytande kisel, som reagerar med kol för att bilda mer SiC innan det sintras under inerta förhållanden för att bilda mer av detta ämne. Bland dessa tekniker för att producera SiC finns Wurtzite-kristallstruktur som bildar alfa-SiC (a-SiC), medan kubisk beta-modifiering b-SiC finns bland dessa tekniker för att producera SiC.

Hög styvhet

Kiselkarbidens styvhet är en viktig komponent vid utformningen av strukturella komponenter. En hög specifik styvhet är mycket önskvärd eftersom den kan minska vikten samtidigt som den ökar styrkan hos strukturer.

Kiselkarbidens exceptionella styvhet kan tillskrivas dess unika tetraedriska kristallstruktur, där varje kiselatom bildar starka kovalenta bindningar med fyra andra kiselatomer som bildar ett sammankopplat hexagonalt rutnät av bindningar mellan sig själv och fyra andra som bildar dess kristallramverk. Samma struktur förklarar dess otroliga hårdhet.

Kiselkarbid är ett av de lättaste och starkaste avancerade keramiska materialen och har en brottseghet på 6,8 MPa m0,5 som gör det svårt för sprickbildning att uppstå. En böjhållfasthet på 490 MPa och en extremt hög Young-modul på 440 GPa visar att materialet är motståndskraftigt mot påfrestningar.

Kiselkarbid sticker ut bland andra material tack vare sin låga värmeutvidgningskoefficient och hållbarhet i krävande miljöer, vilket gör den lämplig för gasturbiner och raketmunstycken samt andra krävande applikationer som kombinationer av hög temperatur och högt tryck utan nedbrytning. Kiselkarbidens styvhet beror på renhet, polykristallin typ, bildningsprocess samt val av kvalitet; genom att välja den idealiska kiselkarbidkvaliteten kan den specifika styvheten förbättras samtidigt som massdensiteten minskar genom tillsats av B4C som ökar Youngs modul samtidigt som massdensiteten minskar.

Låg värmeledningsförmåga

Kiselkarbid är ett hårt material med en brottseghet på 6,8 MPa m0,5, vilket visar att det är motståndskraftigt mot sprickbildning. Dessutom bekräftar dess Young's modul på 440 GPa dess styvhet - vilket placerar det bland de hårdare materialen, endast diamant och borkarbid.

Kiselkarbidens elektriska egenskaper överträffar de kommersiellt tillgängliga alternativen, med en genomslagsspänning på cirka 600 V jämfört med kisel. Kiselkarbid kan till och med nå 10 gånger högre.

SiC kännetecknas av utmärkt oxidationsbeständighet, motståndskraft mot termisk chock, hårdhet, kemisk stabilitet och produktion i polykristallin form; antingen som monokristallin keramik (a-SiC) eller produktion i polykristallin form, där den senare använder kubisk zinkblendestruktur med tetraedrisk samordning av kiselatomer som liknar Wurtzite-kristallstrukturen.

Kiselkarbid kan framställas på två sätt: genom reaktionsbindning eller sintring. Varje metod ger olika mikrostrukturer; reaktionsbunden kiselkarbid har vanligtvis en ojämn mikrostruktur som består av grova partiklar som delvis är anslutna till sin matris, vilket leder till lägre volymfraktion och dålig värmeledningsförmåga än komprimerade mikrostrukturer med högre volymfraktion av SiC-innehåll och bättre värmeledningsförmåga som produceras genom sintring.