Pianka z węglika krzemu

Pianka z węglika krzemu to uniwersalny materiał o wielu zastosowaniach. Charakteryzuje się dużą wytrzymałością na rozciąganie i przewodnością elektryczną, a jednocześnie jest odporna na korozję powodowaną przez kwasy i zasady.

SiC o strukturze piankowej to nowy, innowacyjny materiał nośny katalizatora, który charakteryzuje się doskonałymi właściwościami mechanicznymi i termicznymi, a także wysoką porowatością i powierzchnią. Materiał ten oferuje szereg zalet w porównaniu do swoich poprzedników, takich jak krzemionka, ceramika z tlenku glinu i węgiel aktywny.

Wysoka porowatość

Ceramika piankowa charakteryzuje się specjalnymi trójwymiarowymi strukturami sieciowymi i wysoką porowatością przy stosunkowo niskiej gęstości nasypowej, co czyni ją doskonałym materiałem do filtrowania korozyjnych cieczy i zanieczyszczeń środowiska, przenoszenia ciepła, pochłaniania energii i zastosowań związanych z odpornością na ciśnienie. Co więcej, mogą one również służyć jako media filtracyjne w sprzęcie transportowym, maszynach i zastosowaniach związanych z obroną narodową.

Istnieją różne techniki wytwarzania porowatej ceramiki z węglika krzemu (SiC). Metody te obejmują techniki replikacji, metody szablonów ofiarnych i metody spieniania; spienianie zazwyczaj wykorzystuje związki organiczne, które rozkładają się bez pozostawiania pozostałości podczas wypalania, takie jak mikrokulki poli (metakrylanu metylu) jako elementy zastępcze tworzące część porowatości końcowej ceramiki.

Wytworzone pianki SiC o otwartych komórkach są porowate o średniej porowatości 73,4 vol% ze względu na obecność środków powierzchniowo czynnych, które zmniejszają napięcie międzyfazowe gaz-ciecz i zapobiegają przerzedzaniu i pękaniu pęcherzyków, a także mają imponującą wytrzymałość na zginanie do 1,6 MPa.

Aby stworzyć pianki o otwartych komórkach, ciekły allilowodoropolikarbosilan został usieciowany dimetylosiarczkiem boranu (BDMS, źródło boru) w celu utworzenia stałego polikarbosilanu modyfikowanego borem, który został zmieszany w stosunku 20:80 z mikrokulkami PMMA do prasowania na ciepło przed pirolizą w temperaturze 1000 stopni C w argonie w celu utworzenia pianek SiC o określonych porach i mikrostrukturze, które zostały zidentyfikowane za pomocą analizy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), a także pomiarów porozymetrii rtęciowej.

Wytrzymałość na wysokie temperatury

Węglik krzemu (SiC), powszechnie nazywany karborundem, to niezwykle twardy związek chemiczny składający się z krzemu i węgla. Występujący naturalnie jako klejnot moissanit, SiC jest masowo produkowany w postaci proszków i kryształów do stosowania jako materiał ścierny ze względu na jego właściwości półprzewodnikowe z szerokim pasmem wzbronionym i odporność na wysokie temperatury.

Otwartokomórkowe ceramiczne materiały ścierne z pianki SiC o porowatości przekraczającej 80% i rozmiarach komórek w zakresie od mikronów do milimetrów są komercyjnie wykorzystywane w zastosowaniach od filtracji stopionego metalu, palników promiennikowych, wsporników katalizatorów, mebli piecowych i linii czyszczących z nagromadzeniem twardości lub zgorzeliny walcowniczej. Piankowe ceramiczne materiały ścierne stanowią również doskonałe rozwiązanie dla usług czyszczenia linii, które mają trudności z dotarciem do twardszych materiałów z powodu nagromadzenia twardości lub zgorzeliny walcowniczej.

Pianki z grupami Si-H są idealnymi prekursorami preceramicznymi, w których są łączone z prekursorami aerożelowymi w celu stworzenia ostatecznej ceramiki. Ich widma XRD i FTIR pokazują, że te grupy Si-H utworzyły wiązania krzyżowe z pierścieniami aromatycznymi diwinylobenzenu, aby zagwarantować stabilność mechaniczną i utworzyć preceramiczne kompozyty, które są zgodne z tą teorią.

Spienione materiały ścierne charakteryzują się niezwykłą wytrzymałością na rozciąganie w porównaniu do tlenku glinu, wynoszącą odpowiednio 280 MPa i 440 GPa, zapewniając niezwykłą wytrzymałość i trwałość w zastosowaniach wysokotemperaturowych, w których inne materiały łatwo ulegają degradacji lub rozpadowi. Eksperymenty zmęczenia termicznego na piankach Si-SiC w porównaniu z piankami Al2O3 w temperaturach 800 i 1000 stopni Celsjusza ujawniają tę przewagę, z mniejszą liczbą makropęknięć rozwijających się na powierzchniach pęknięć w wyniku eksperymentów zmęczenia termicznego na materiałach ściernych z pianek Si-SiC w porównaniu z testami zmęczenia termicznego Al2O3 w temperaturach 800 i 1000 stopni Celsjusza, które dostarczają dowodów na tę doskonałą wydajność w ekstremalnych temperaturach (odpowiednio 800 i 1000 stopni Celsjusza). Eksperymenty zmęczenia termicznego wykazują przewagę nad Al2O3 pod względem sprężystości; testy zmęczenia termicznego przeprowadzone w warunkach, w których inne materiały uległyby szybkiej degradacji; testy zmęczenia termicznego przeprowadzone w warunkach, które potwierdzają jego zastosowanie w porównaniu z aluminiowym odpowiednikiem, gdzie inne materiały łatwo uległyby degradacji lub rozpadowi pod wpływem temperatur (800 i 1000 st. C), z rzadszymi makropęknięciami pojawiającymi się na powierzchniach pęknięć z powodu niższej ekspozycji na temperaturę.

Wysoka przewodność

Węglik krzemu to wyjątkowy materiał znany ze swojej odporności na trudne warunki chemiczne. Przy gęstości właściwej wynoszącej 3,21 g/cm3, węglik krzemu wyróżnia się jako materiał gęstszy niż ceramika, ale mniej gęsty niż niektóre metale. Co więcej, ten wszechstronny materiał charakteryzuje się dobrą podatnością na formowanie i wytrzymałością na rozciąganie, co pozwala na jego łatwe dopasowanie do różnych zastosowań.

Ta cecha sprawia, że włókno węglowe jest ważne w wielu zastosowaniach, w tym w tych wymagających trwałości i wytrzymałości w wysokich temperaturach, z jego odpornością na fizyczne uszkodzenia spowodowane uderzeniami i ciśnieniem, a także wyjątkową twardością 9 w skali Mohsa, zapewniającą doskonałą odporność na ścieranie - coś niezbędnego w przypadku piggingu liniowego.

Ceramika piankowa charakteryzuje się również wysoką przewodnością cieplną w porównaniu do innych materiałów ceramicznych, co czyni ją szczególnie przydatną w zastosowaniach związanych z materiałami zmiennofazowymi (PCM). Ich komórki i wiązadła umożliwiają skuteczne przenoszenie ciepła między przepływającymi przez nie płynami, zwiększając w ten sposób szybkość sprzęgania, a tym samym wydajność.

Ceramika piankowa jest znana ze swojej przewodności elektrycznej. Jakość ta wynika z siatkowanego, szklistego rdzenia węglowego, który został otoczony węglikiem krzemu, co uzupełnia jego wysoką wytrzymałość mechaniczną i tolerancję na temperaturę. Co więcej, tłoki piankowe Duocel (r) charakteryzują się dużą powierzchnią, która przyspiesza przepływ płynów, pomagając w ten sposób zmniejszyć przestoje linii i koszty czyszczenia; ich przewodność elektryczna pozostaje stała również w wyższych temperaturach.

Odporność na korozję w wysokich temperaturach

Pianka z węglika krzemu oferuje doskonałą odporność na korozję w wysokich temperaturach, co czyni ją idealnym materiałem do zastosowań takich jak systemy ochrony termicznej i stelaże pieców/reaktorów. Wynika to z niskiego współczynnika rozszerzalności cieplnej, wysokiej wytrzymałości mechanicznej i nieodkształcania się pod wpływem podwyższonej temperatury. Ponadto, specjalna struktura sieciowa zwiększa powierzchnię porów, co pozwala na szybkie wchłanianie większej ilości cząsteczek cieczy i gazów, nie pozwalając im na swobodny przepływ i powodowanie zanieczyszczeń.

Dodatkowo, jego doskonała formowalność i obróbka za pomocą narzędzi diamentowych sprawiają, że idealnie nadaje się do produkcji złożonych części o dużych wymiarach i skomplikowanych kształtach. Co więcej, nie ulega korozji pod wpływem kwasów i zasad podczas filtrowania cieczy, co pozwala uniknąć osadzania się na jego powierzchni kwaśnych i zasadowych roztworów oraz znacznie skrócić czas i koszty konserwacji systemów wykorzystujących ten materiał.

Pianka z węglika krzemu charakteryzuje się zwiększonym współczynnikiem przenikania ciepła dzięki specjalnej strukturze sieci przestrzennej, dzięki czemu nadaje się do zastosowań obejmujących obróbkę cieplną komponentów elektronicznych, płyt dennych ze złożem fluidalnym, nawilżaczy i kotłów wodnych. Co więcej, materiał ten zwiększa wydajność zbierania oparów oleju silnikowego, dzięki czemu jest dobrym wyborem dla kolektorów spalin.

Spiekanie niskociśnieniowe

Spiekanie pianki ceramicznej z węglika krzemu można przeprowadzić pod ciśnieniem atmosferycznym bez konieczności stosowania wysokiej temperatury lub atmosfery obojętnej, co znacznie obniża koszty produkcji przedsiębiorstw. Co więcej, ta pianka ceramiczna nie ulega łatwo korozji w środowisku kwaśnym lub alkalicznym podczas filtrowania cieczy, dzięki czemu nie zanieczyszcza filtrowanej cieczy metalowej. Dzięki swoim właściwościom konstrukcyjnym i możliwości filtrowania, produkty o dużych rozmiarach lub złożonych kształtach mogą być łatwo wytwarzane za pomocą tej metody spiekania.

Azotek krzemu i ceramika SiAlON są zwykle spiekane bezciśnieniowo przy użyciu pieca próżniowego; jednak w przypadku stosowania kompozycji o niskiej zawartości dodatków, które uwalniają azot podczas ogrzewania i spiekania, dochodzi do ulatniania się azotu; w związku z tym wymaga to zastosowań wysokociśnieniowych, aby skutecznie zapobiegać ulatnianiu się azotu podczas ogrzewania i spiekania.

Aby sprostać tym wyzwaniom, opracowaliśmy spiekanie niskociśnieniowe (LPS). Technika ta wykorzystuje ciśnienie gazu atmosferycznego powyżej wartości progowej, aby zapobiec utracie azotu podczas spiekania i może wytwarzać znacznie wyższe gęstości niż tradycyjne metody.

LPS ułatwia również szybkie cykle spiekania i produkty o kształcie zbliżonym do siatki, co daje LPS przewagę nad metodami wiązania reakcyjnego stosowanymi obecnie do wytwarzania dużych i złożonych materiałów ceramicznych z węglika krzemu. Co więcej, proces ten pozwala na łatwiejsze spiekanie różnych materiałów, umożliwiając tworzenie nowych kompozytów, które mogą zwiększyć wskaźniki recyklingu poprzez pobieranie odpadów, które normalnie byłyby wyrzucane, i łączenie ich z materiałem ceramicznym, tworząc nowe kompozyty o unikalnych i pożądanych właściwościach.

Filtracja niskociśnieniowa

Ceramiczne filtry piankowe z węglika krzemu mogą być stosowane do filtracji stopionego metalu w celu wyeliminowania wtrąceń niemetalicznych z cieczy aluminiowej i oczyszczenia jej, znacznie poprawiając jakość odlewów, zmniejszając straty złomu i poprawiając wydajność produkcji. Filtry piankowe są dostępne w trzech stopniach porowatości: 10, 20 lub 30 ppi, w zależności od warunków pracy i pożądanych efektów filtracji. Bardzo ważne jest, aby wybrać skuteczny filtr dostosowany do tych warunków pracy w celu uzyskania maksymalnego efektu filtracji.

Ceramika piankowa oferuje lepsze właściwości w porównaniu z innymi tradycyjnymi materiałami stosowanymi do filtracji stopionego metalu: wyższą porowatość, przewodność cieplną, wytrzymałość mechaniczną, odporność na utlenianie i korozję. Co więcej, ich nierówne powierzchnie zawierają liczne mikropory, które tworzą skomplikowaną strukturę sieci, znacznie zwiększając obszar kontaktu między fazami. Dzięki takim właściwościom pianka ceramiczna z węglika krzemu staje się nośnikiem katalizatora nowej generacji, zastępując tradycyjne nośniki katalizatora z krzemionki, tlenku glinu i węgla aktywnego.

Piankowe materiały ceramiczne mogą być powlekane nanodrutami w celu rozszerzenia ich funkcji i wydajności w wymagających zastosowaniach separacyjnych. Po zanurzeniu w stopionym aluminium, filtr pokryty nanodrutami wykazuje wysoką wydajność zbierania jonów, podczas gdy jego piankowe elementy o otwartych komórkach tworzą teksturę przypominającą włosy, co zapewnia jeszcze wyższą wydajność zbierania. Co więcej, nanodruty mogą być ułożone w taki sposób, aby tworzyły nieprzerwaną powierzchnię filtracyjną, ułatwiając wysokowydajną, niskociśnieniową filtrację aerozoli - idealną do stosowania w chemicznych piecach przemysłowych, generatorach pary, palnikach promiennikowych i wysokociśnieniowych palnikach adiabatycznych - ponieważ charakteryzują się niewielkimi rozmiarami, oszczędnością paliwa, a także szerokim zakresem regulacji mocy, stabilnym spalaniem i niską emisją zanieczyszczeń w porównaniu z ich odpowiednikami.