Karbid křemíku

Karbid křemíku, často označovaný jako písek nebo korund, se přirozeně vyskytuje v některých meteoritech a ložiscích kimberlitu; veškerý komerčně vyráběný karbid křemíku je však syntetický.

Karbid křemíku se vyskytuje ve více než 70 krystalických formách, z nichž nejčastěji se vyskytuje a-SiC. Mezi další odrůdy patří beta (b-SiC), který má krystalovou strukturu zinkové blanky.

Charakteristika

Karbid křemíku je po diamantu a nitridu boru třetím nejtvrdším materiálem na Zemi. Díky svým vlastnostem, jako je odolnost vůči chemickým vlivům a vysokoteplotní stabilita, si karbid křemíku získává stále větší pozornost jako přídavný materiál do kovů a plastů pro zvýšení tvrdosti a odolnosti proti opotřebení. Prášek karbidu křemíku, vyráběný synteticky různými způsoby, se nejčastěji používá pro broušení nástrojů, řezné nástroje nebo se přidává jako přísada pro zvýšení odolnosti proti opotřebení.

Ačkoli existuje několik variant karbidu křemíku, pro průmyslové účely se používají především beta a alfa formy. Alfa má sférickou mikrokrystalickou strukturu, zatímco beta má kubickou strukturu, která jí propůjčuje charakteristické vlastnosti, díky nimž je vhodná pro použití v celé řadě průmyslových odvětví.

Kubický karbid křemíku lze spékat s vyšší hustotou než alfa, čímž lze získat pevnější a tvrdší materiály s menšími rozměry dílů. Jeho odolnost vůči deformaci z něj navíc činí atraktivní materiál pro použití v aplikacích balistické ochrany.

Vysoká odolnost vůči tepelným šokům v kombinaci s chemickou odolností činí z borosilikátového skla ideální materiál pro použití v leteckém průmyslu a dalších náročných oborech, včetně lékařských přístrojů a farmaceutických aplikací. Díky nízkému koeficientu roztažnosti je také vysoce tolerantní vůči tepelným šokům, což znamená menší pravděpodobnost prasknutí nebo rozbití v extrémních prostředích. Díky vhodným aplikacím v leteckém a kosmickém průmyslu a dalších citlivých oborech je borosilikátové sklo vhodné pro mnoho různých použití - uvnitř i venku!

Křemíkové komponenty musí mít také schopnost rychle odvádět teplo. To jim umožňuje pracovat při vyšších teplotách a napětích pro lepší funkčnost a účinnost, což zajišťuje celkově vyšší funkčnost a účinnost. Karbid křemíku odvádí teplo 1490krát rychleji než křemík; proto se používá v různých elektronických zařízeních a výrobních procesech polovodičů.

Ačkoli je karbid křemíku pro člověka obecně bezpečný, pokusná zvířata prokázala při expozici tomuto materiálu poškození plic. To mění průběh inhalační tuberkulózy, která vede k rozsáhlé fibróze a progresivnímu onemocnění; přesto lidská stomatologie využívá tento materiál při ošetřování zubních kazů a při zavádění implantátů, aniž by to mělo nepříznivý vliv na vodní ekosystémy nebo životní prostředí.

Aplikace

Prášek karbidu křemíku je již dlouho uznáván pro svou tvrdost, vysokou pevnost, chemickou stabilitu a teplotní odolnost, díky čemuž je vhodný pro celou řadu použití v průmyslových odvětvích, včetně brusiv, žáruvzdorných materiálů, elektrotechniky a elektroniky, keramiky a dalších. Kombinace s jinými žáruvzdornými materiály pro výrobu cementovaných karbidů nebo slinutých výrobků složitých tvarů lze provádět odléváním, suchým lisováním, izostatickým lisováním nebo vstřikováním.

Karbid křemíku je díky svým jedinečným tepelným vlastnostem atraktivním materiálem pro obalování jaderného paliva, neboť se vyznačuje nízkou úrovní aktivace neutronů a netaví se ani nedeformuje při zvýšených teplotách. Díky těmto vlastnostem byl karbid křemíku vybrán jako materiál pro plášť reaktoru v integrálním rychlém reaktoru (IFR). Kromě toho lze karbid křemíku využít také jako materiál pro palivové tyče jaderných elektráren nebo dokonce pro obložení fúzních reaktorů.

Karbid křemíku alfa (ASC) je jedním z nejčastěji používaných průmyslových materiálů, zejména pro aplikace zahrnující abraziva a žáruvzdorné materiály. ASC, který je hustší než jeho protějšek a-SiC, může být čištěn slinováním podle specifikací zákazníka a obvykle se dodává v černé nebo zelené formě v závislosti na způsobu použití.

A-SiC se široce používá pro brusné výrobky, jako jsou brusné kotouče, nástroje s hroty, řezné a vrtací bity, karbidové matrice a další formy brusných výrobků. Tento materiál odolný proti opotřebení poskytuje dobrou odolnost proti korozi, oxidaci a rázovému zatížení a lze jej dokonce slinovat a vyrábět tak výrobky s požadovanou velikostí zrn, chemickým složením a vlastnostmi mikrostruktury.

Kromě toho lze a-SiC čistit slinováním a vyrábět slinuté produkty složitých tvarů a velikostí - včetně komponentů pro použití v žáruvzdorných materiálech, jako jsou elektrické topné články nebo křemíkové vlnovce - a také pro aplikace řezání křemíkových kamenů nebo jiných kamenů pomocí drátové pily.

Prášek A-SiC se také používá v karborundové grafice - což je druh kolografické tiskové techniky, při níž se karborundová drť nanáší na hliníkovou desku a na jejím zrnitém povrchu se zachytí inkoust, který se pak tiskne na papír pomocí válcovacího tiskařského stroje. Toto bylo jedno z prvních použití práškového karbidu křemíku; mezi jeho další významné aplikace patří vysokoteplotní/napěťové aplikace a také nástroje z karbidu wolframu, které vyžadují extrémní odolnost pro vysokoteplotní aplikace, jako jsou vysokonapěťové aplikace nebo vysokoteplotní/napěťové aplikace.

Vlastnosti

Karbid křemíku je extrémně tvrdý a hutný materiál s výjimečnou odolností proti lomu a opotřebení, chemicky inertní a s vysokou tepelnou vodivostí; všechny tyto vlastnosti jej předurčují pro aplikace vyžadující odolnost vůči vysokým teplotám, jako jsou žáruvzdorné cihly a součásti pecí. Kromě toho karbid křemíku slouží jako brusivo v aplikacích, jako je broušení chlazeného železa, mramoru žuly a oceli jako abraziva.

Karbid křemíku lze v nepatrném množství nalézt v meteoritech, korundových ložiscích a kimberlitech; většina syntetického karbidu křemíku se však vyrábí syntetickou přípravou tavením křemičitého písku s uhlíkem za vysokého tlaku a následným spékáním a reformováním do různých tvarů.

Alfa SiC (a-SiC) je nejrozšířenější formou karbidu křemíku. Tento monokrystalický materiál má hexagonální krystalovou strukturu podobnou wortzitu. Alpha SiC vykazuje vynikající tepelnou vodivost, nízký koeficient roztažnosti a chemickou inertnost a je také extrémně tvrdý a křehký s tvrdostí kolem 9 stupňů na Mohsově stupnici.

Hexoloy SP SiC je pokročilý materiál ze slinutého karbidu křemíku alfa navržený pro náročné aplikace v jaderných reaktorech, který se vyznačuje nízkým průřezem neutronů a odolností proti poškození zářením. Kromě toho je díky nízkému průřezu neutronů a odolnosti vůči radiačnímu poškození vhodný pro výrobu vysoce výkonných slinutých brusných materiálů a ložisek s nízkým třením bez třecího opotřebení. Hexoloy SP SiC navíc zvyšuje tento výkon přidáním sférických pórů do svého materiálu, které fungují jako zásobníky tekutiny podporující retenci mezi povrchy součástí a pomáhají předcházet opotřebení a opotřebení třením.

Hexoloy SP SiC se od běžného slinutého a-SiC odlišuje výraznou kombinací vlastností, které jej odlišují a činí jej vhodným pro vysoké rychlosti a extrémní podmínky použití. Kombinace vysoké pevnosti v tahu, nízké tepelné roztažnosti a vynikající odolnosti proti opotřebení dává materiálu Hexoloy SP SiC extrémně dlouhou životnost v náročných podmínkách; navíc je díky nízkému průřezu neutronů vhodný pro zařízení na ochranu před radiací.

Výroba

Karbid křemíku lze vyrábět v různých formách, od prášků nebo částic, vláken a whiskerů, monolitických (nevláknitých) forem a monomorfů, jako jsou polytypy alfa a beta - každý z nich má odlišnou krystalovou strukturu a teplotu rozkladu. Karbid křemíku alfa se může pochlubit hexagonální krystalovou strukturou a vyššími teplotami rozkladu než polymorfní karbidy křemíku beta, takže je vhodnější pro výrobu vláken a sintrů nebo reakčně vázaného materiálu používaného v kompozitních aplikacích. Vlákna karbidu křemíku alfa lze využít v keramických nebo kovokeramických výrobcích pro ukládání jaderného paliva v reaktorech, jako jsou lehkovodní reaktory (LWR), tlakovodní reaktory (PWR), rychlé reaktory s kapalným kovem (LMFR) nebo vysokoteplotní reaktory chlazené plynem (HTGR).

Karbid křemíku alfa se obvykle vytváří reakcí materiálu z uhlíkových vláken s plyny obsahujícími křemík v reakční komoře, obvykle přidáním materiálu z uhlíkových vláken, který zabraňuje přímé reakci vzduchu s molekulami plynu obsahujícího křemík. Nosný plyn rovněž pomáhá tím, že z komory nepřetržitě odvádí přebytečný oxid uhelnatý, čímž v ní udržuje nízkou koncentraci oxidu uhelnatého, což zase zabraňuje sekundárním reakcím mezi oxidem uhelnatým a plyny obsahujícími křemík.

Reakce bude pokračovat, dokud se v podstatě veškerý uhlík v materiálu z uhlíkových vláken nepřemění na alfa-karbid křemíku, přičemž tento proces se urychlí přidáním alfa-tvorného činidla, jako je propan, butan nebo metan, jako uhlovodíku před vstupem do reakční komory.

Plně přeměněný karbid křemíku alfa má přibližnou hustotu 3,21 g/cc a rozměrovou roztažnost menší než 2%; navíc délka vazby křemík-uhlík převyšuje délku vazby uhlík-uhlík. Odolnost proti tepelným šokům a vynikající vlastnosti při opotřebení činí tento materiál vhodným pro aplikace v různých podmínkách. Hexoloy(r) SP SiC je slinutý, plně přeměněný materiál z karbidu křemíku alfa určený pro vynikající aplikace s kluzným kontaktem, jako jsou plochy mechanických těsnění a ložiska mazaná produktem. Sférické póry materiálu Hexoloy(r) SA SiC slouží jako zásobníky kapaliny, které podporují tvorbu souvislého filmu kapaliny na povrchu kluzných součástí a nabízejí vynikající mazání a snížení tření za různých provozních podmínek.