Egenskaperna hos kol SiC

Carbon sic är ett avancerat keramiskt material med exceptionell skadetolerans, hållfasthet, termisk stabilitet och slitstyrka.

Material som framställs genom reaktionsbindning och sintringsprocesser. Formningsmetoden är avgörande eftersom mikrostrukturen bestämmer materialegenskaperna; genom att använda LSI-processen kan man effektivt få fram delar med nära nettoform.

Elektrisk konduktivitet

Elektrisk ledningsförmåga är en av de viktigaste egenskaperna hos kolsyra, eftersom den gör det möjligt att effektivt överföra värme mellan ändarna, vilket gör den idealisk för applikationer som kräver hög temperaturbeständighet och termisk hantering.

Den elektriska ledningsförmågan hos poröst SiC bestäms av många variabler, t.ex. porositet, SiC-polytyp (a eller b), fysikaliskt tillstånd (kristallint eller amorft) och mängd och typ av andrafastillsatser som oxider, element, nitrider och karbider - samt sintringsatmosfären.

Andrafastillsatser kan öka eller minska den elektriska resistiviteten hos poröst SiC genom att skapa energinivåer nära dess bandgap. Oxidtillsatser skapar vanligtvis energinivåer på vänster sida, medan metallnitrider och karbider istället aktiverar kompensationsmekanismer för acceptor-donor.

Den elektriska ledningsförmågan kan förbättras genom förändringar av tillsatsmaterialets sammansättning, sintringsatmosfären och bearbetningstekniken. Till exempel kan tillsats av grafit till gnistplasmasintrat SiC öka dess konduktivitet upp till åtta storleksordningar i båda riktningarna parallellt och vinkelrätt mot dess ympningsområde [11]. Dessutom minskar det elektriska motståndet om sintringstiden förlängs, vilket kan bero på kvävedopning av kisel under sintringsprocessen [12-13].

Termisk konduktivitet

Värmeledningsförmågan hos kolsyra definieras som den mängd värme som överförs per tidsenhet över en temperaturgradient, uttryckt som en ansotropisk tensor av andra rangen i ett anisotropiskt material. Dess värde kan bero på vilka testmetoder som använts för att mäta den, men dess verkliga värde kan också variera beroende på vatteninnehållet i de prover som studeras.

Värmeledningsförmågan kan bestämmas med hjälp av testmetoder i stationärt tillstånd genom att dividera värmeflödet (Q) som passerar genom ett tvärsnitt av ett material med dess temperaturskillnad (DT). Vid transienta tillståndstester utsätts proverna för plötsliga temperaturförändringar som resulterar i temperaturresponser över tid som sedan mäts över tid för att beräkna värmediffusiviteten [69].

Figur 13 visar att optimerade naturstabiliserade CEB kunde uppnå utmärkta termiska egenskaper, både vad gäller bulkdensitet och värmeledningsförmåga, som visas. Denna anmärkningsvärda framgång visar hur naturliga komponenter kan fungera som kraftfulla verktyg för att optimera kompositmaterialens termiska beteende.

I motsats till konventionella bindemedel möjliggjorde kombinationen av träpulver med låg densitet och kolfiberduk betydande ökningar av värmeledningsförmågan hos CEB i båda riktningarna, tack vare kanaler för massöverföring mellan naturmaterial och harts.

Hög hållfasthet

Kiselkarbid uppvisar överlägsen mekanisk hållfasthet i kombination med imponerande hållbarhet. Dess brottseghet på 6,8 MPa m0,5 indikerar motståndskraft mot sprickbildning medan dess Young's modul på 440 GPa visar på materialets styvhet. Böjhållfastheten ligger på 490 MPa, vilket ger stor motståndskraft mot böjspänning.

Kiselkarbidens höga hårdhet gör den till ett utmärkt materialval för applikationer som kräver motståndskraft mot slitage och slagskador, t.ex. beläggningar och skärverktyg. Dessutom förhindrar den låga värmeutvidgningskoefficienten expansion/kontraktion när den utsätts för extrema temperaturer; båda egenskaperna gör kiselkarbid till ett idealiskt materialval för spegelmaterial i astronomiska teleskop som Herschel Space Telescope och Gaia rymdobservatorium.

Kolfiberförstärkta keramiska matriskompositer av kiselkarbid (Cf/SiC) har överlägsen böj-, drag- och krypbrotthållfasthet samt utmärkta egenskaper mot korrosion, oxidation och termisk chock.

Carbon SiC:s imponerande styrka kan hänföras till dess distinkta mikrostruktur som bildas under bearbetningen och som omfattar kolfibrer, pyrolyserad kolmatris och kvarvarande kisel. Tester med hjälp av optisk mikroskopi, svepelektronmikroskopi, energidispersiv röntgenspektroskopi och Ramanspektroskopi bekräftade deras närvaro och fördelning i kompositen. Dessutom visade det sig att Weibulls analys av den svagaste länken inte stämde vid böjbelastning för kol/SiC, utan att dess hållfasthet varierade beroende på provkroppens storlek.

Motståndskraft mot höga temperaturer

SiC behåller sin elastiska beständighet vid temperaturer som överträffar dem för kiselnitrid och zirkoniumdioxidkeramik, men som ändå ligger under de temperaturer som krävs för att bryta metalliska superlegeringar eller kolfiberförstärkt plast (CFRP). Eftersom SiC har en exceptionell motståndskraft mot termiska chocker är det ett utmärkt materialval för flyg- och rymdtillämpningar.

SiC är känt för sin enastående korrosionsbeständighet i tuffa miljöförhållanden och har en utmärkt oxidationsbeständighet, vilket ger långsiktig service under krävande miljöförhållanden. Det har låg nötningskoefficient och motstår korrosion med fluorvätesyra samt andra kemikalier. Tyvärr är en nackdel med att använda SiC för stora delar sprödhet; därför bör ökad kolhalt bidra till att öka motståndskraften.

Kol-dopade SiC-kompositer ger en alternativ materiallösning för tuffa miljöer. Tillverkas genom en infiltrationsprocess med flytande kisel, vilket ger en form som är nära nettoform. Dessutom är denna teknik kostnadseffektiv och kan skapa större delar än traditionella kolfiberförstärkningar.

Företag som tillverkar borstar och borstmaterial av kol, grafit och metallgrafit, kol- eller grafitelektroder för termisk och elektrolytisk användning, kolgrafitfibrer och andra produkter av kolgrafit och metallgrafit omfattas av US SIC Code 3624 - Carbon and Graphite Products. Denna bransch omfattar alla företag som levererar dessa material till flyg-, energi-, fordons- och kemiindustrin för användning i flygplansmotorer, turbiner och rymdfarkostkomponenter som måste vara hållbara i tuffa miljöer.