Metoder för tillverkning av kiselkarbid

Kiselkarbid används för olika tillämpningar på grund av dess utmärkta egenskaper vid höga temperaturer och korrosionsbeständighet. Detta material kan tillverkas till olika produkter som slipmedel, belagda slipmedel, slipskivor, läppverktyg, läppfolieisolering och till och med metallurgiska och eldfasta applikationer.

Kiselkarbid framställs oftast med hjälp av Acheson-processen. Det innebär att en blandning av kiselsand och kol i koks upphettas vid höga temperaturer tills kemiska reaktioner uppstår som ger rena kiselkarbidkristaller.

Acheson-processen

Acheson-processen används ofta kommersiellt för att producera kiselkarbid. Denna högenergiprocess innebär att kiseldioxid blandas med petroleumkoks och värms upp till hög temperatur innan den släpps ut i en elektrisk ugn för bearbetning. En massöverföringsmodell skapades för att bättre förstå denna komplexa process, och resultaten visade att kiselkarbidbildningen främst styrdes av fast-gasreaktioner snarare än vätskefasreaktioner som man tidigare trott.

Som i en normal Acheson-ugn packas blandningen in i en ugn tillsammans med ett kol- eller grafitmotstånd 14 som består av koks och eldsand som återvunnits från tidigare körningar som ett Acheson-motstånd 14. Elektrisk ström tillförs detta motstånd för att skapa högspänning i reaktionsmassan, medan temperaturen övervakas i hela ugnen och nära grafitplattor som är placerade längs ugnens sidor.

Kiselkarbid (SiC), en energikrävande och mycket energikrävande process, har nyligen revolutionerats genom två processer som bygger på den: Acheson- och Lely-processerna. Medan Acheson producerar grovkorniga SiC-kristaller genom sublimering, syntetiserar Lely mer finkristallint material.

Lely-processen

Lely-processen är en alternativ metod som används vid tillverkning av kiselkarbid och som innebär att en kemisk blandning i en sluten vakuummiljö kombineras innan den deponeras på ett substrat. Denna procedur kräver en enorm mängd energi, utrustning och expertis - för att inte tala om tid - och är endast möjlig med stor precision.

Tillverkare använder den modifierade Lely-processen för att producera stora enkristaller av SiC för elektronisk tillverkning, och använder det som råmaterial för härdade ytmonterade enheter (HMD). Sådana material måste vara hårda, hållbara och elektriskt ledande - egenskaper som SiC kan uppfylla tack vare sin kristallina struktur. Dessutom har SiC unika egenskaper som inte finns någon annanstans, t.ex. oöverträffad hårdhet och kemisk resistens mot alkalier och syror.

En vanlig modifiering av Lely-metoden är att man använder en grafitdegel utrustad med induktionsspolar för uppvärmning. När degeln har värmts upp fodras den med ett tunt lager kiselkarbid för att förhindra att föroreningar kommer ut ur sublimeringsutrymmet och kristallerna kan sedan användas för att bilda göt som sedan kan sorteras noggrant och bearbetas vidare för olika tillämpningar.

Exempel 1 beskriver en process där göt utsätts för kväveinnehållande gasflöden för att tillverka produkter med hög n-ledningsförmåga, vilket möjliggör komponenter som fungerar under extrema förhållanden, t.ex. de som krävs i jetmotorer och raketmunstycken.

Reaktionsbindning

Reaktionsbindning är en av de äldsta metoderna för att skapa kiselkarbidkeramik. Tekniken innebär att grov kiselkarbid, lera, mjukgörare och andra material blandas till en formbar pasta som sedan värms upp för att smälta samman materialen innan den härdas till fast form genom kylning. Reaktionsbindning var ett av de tidigaste sätten att tillverka kiselkarbid.

Denna process underlättar produktionen av reaktionsbunden kiseldioxid, som har överlägsen slitstyrka och högre brottseghet än andra former av kiselkarbid. Dessutom gör dess värmeledningsförmåga och låga värmeutvidgningsegenskaper att den lämpar sig för användning i elektriska komponenter som krafttransistorer och dioder.

Forskare har utvecklat en ny bearbetningsmetod för att förbättra prestandan hos reaktionsbunden kiseldioxid genom att binda den vid lägre temperaturer. Detta minskar mängden fritt kisel som kan erodera och slita på materialet och öka slitaget.

Reaktionsbunden kiselkarbid (RBSC) har många användningsområden tack vare sin motståndskraft mot värme, slitage och korrosion. Den används ofta i ugnsmöbler tack vare sin utmärkta motståndskraft mot termisk chock; dessutom kan den omvandlas till keramiska komponenter för högtemperaturtillämpningar som tätningar eller skovlar; dessutom gör dess höga smältpunkt den idealisk för fusionsexperiment med deglar.

Keramik

Sintrad kiselkarbidkeramik i fast fas är en av de hårdaste och mest hållbara finkeramerna och behåller sin styrka upp till 1400 grader Celsius utan att förlora styrka eller expandera eller dra ihop sig avsevärt - perfekt för värmebeständiga applikationer som brännarmunstycken, jet- och flamrör som används i kemisk processutrustning samt allmänna industriella maskinkomponenter. Dessutom gör dess motståndskraft mot korrosion, nötning och korrosion den mycket korrosionsbeständig med låg expansion och halvledande egenskaper som gör den lämplig för eldfasta användningsområden som brännarmunstycken jetrör som används i kemisk processutrustning tillsammans med allmänna industriella maskinkomponenter som används i maskiner.

SiC är allmänt känt för sin höga hårdhet och kemiska stabilitet, vilket gör det till ett utmärkt råmaterial för tillverkning av slipmedel. SiC används som basmaterial för belagda och fria slipmedel som används på glas, keramik, sten, gjutjärn, icke-järnmetaller samt icke-järnmetaller som aluminium. SiC används också i eldfasta produkter, bland annat i skivor som används i ugnar för keramiska produkter, kiseldioxidbelagda ugnsfoder och deglar som används i elektrolytiska celler för aluminium.

Reaktionsbindning är en annan metod för att tillverka kiselkarbidkeramik som används inom branscher som slipmedel, metallurgi och eldfasta material. En blandning av grov sand, kiselpulver och mjukgörare värms upp i en ugn av elektrisk motståndstyp tills kol från koks reagerar med kiseldioxid och bildar kiselkarbid och kolmonoxidgas - detta gör det möjligt att forma till önskade former eller pressa till pulver för vidare användning.

Eftersom det har hög densitet och tryckhållfasthet ger ballistiska skydd av polykarbonat större ballistiskt motstånd för sin vikt än lösningar av stål eller aluminium.