Twardość węglika krzemu

Węglik krzemu jest jednym z najtwardszych materiałów, ustępując jedynie diamentowi. Ze względu na swoją twardość i sztywność, węglik krzemu jest idealny do zastosowań w obróbce strumieniowo-ściernej.

Obróbka strumieniowo-ścierna wykorzystuje specjalistyczne maszyny do usuwania rdzy, przygotowywania powierzchni do malowania i usuwania starych wykończeń z produktów. Może być również używane do piaskowania i szlifowania.

Właściwości fizyczne

Węglik krzemu (SiC) jest jedną z najtwardszych naturalnych substancji na Ziemi, mierzącą 9-9,5 w skali twardości Mohsa - ustępując jedynie diamentowi. Jako taki, SiC oferuje doskonałą trwałość w przypadku narażenia na uderzenia, tarcie lub ścieranie, a także odporność chemiczną, wysoką stabilność termiczną, właściwości półprzewodnikowe i właściwości półprzewodnikowe.

Struktura węglika krzemu składa się z ciasno upakowanych atomów krzemu i węgla połączonych kowalencyjnie przez dwa podstawowe tetraedry koordynacyjne utworzone z czterech atomów krzemu związanych kowalencyjnie z czterema atomami węgla, tworząc dwa podstawowe tetraedry koordynacyjne z wiązaniami kowalencyjnymi między czterema atomami krzemu i czterema atomami węgla połączonymi kowalencyjnie. Węglik krzemu wykazuje polimorfizm z różnymi formami i strukturami krystalicznymi wykazującymi dowody polimorfizmu; jego siła leży w jego polimorfizmie, a także obojętności chemicznej; niskiej gęstości; dobrej odporności na zużycie, małym współczynniku rozszerzalności cieplnej; dużej wytrzymałości w podwyższonych temperaturach.

Stopy aluminium oferują doskonałą odporność na korozję i obojętność na związki organiczne, kwasy, zasady i sole w wysokich stężeniach. Dzięki odpowiedniej obróbce mogą nawet poprawić twardość, chemię powierzchni i właściwości mechaniczne, a także być domieszkowane, stopowane lub powlekane w celu dalszego zwiększenia wydajności.

Metody domieszkowania i powlekania są stosowane w celu zwiększenia przewodności elektrycznej, twardości, wytrzymałości i odporności węglika krzemu. Bor, kobalt i nikiel mogą być dodawane w celu zwiększenia twardości; twardsze związki, takie jak węglik wolframu, mogą dodatkowo zwiększyć twardość. Stosowane techniki obróbki powierzchni obejmują natryskiwanie cieplne, chemiczne osadzanie z fazy gazowej i natryskiwanie na zimno, które mogą być również łączone w celu wytworzenia materiałów hybrydowych, które łączą twarde materiały ścierne z ultra-wytrzymałymi powłokami dla większej użyteczności.

Właściwości chemiczne

Węglik krzemu charakteryzuje się niezrównaną twardością wśród materiałów ceramicznych, rywalizując jedynie z diamentem, sześciennym azotkiem boru i węglikiem wolframu. Co więcej, materiał ten charakteryzuje się niską rozszerzalnością cieplną i doskonałą odpornością chemiczną, dzięki czemu nadaje się do zastosowań takich jak materiały ścierne, ściernice, narzędzia skrawające, okładziny metalurgiczne, materiały ogniotrwałe, okładziny części samochodowych itp.

Rozmiar ziaren odgrywa kluczową rolę w twardości materiału; większe rozmiary ziaren zapewniają niższe wartości twardości. Struktura krystaliczna również wpływa na twardość - grubsze gatunki węglika krzemu, takie jak gatunek przemysłowy (b-SiC), mają niższe poziomy twardości w porównaniu do drobniejszych odmian stosowanych w urządzeniach optycznych i materiałach ściernych, takich jak a-SiC.

Hartowanie węglika krzemu może sprawić, że będzie on bardziej odporny na uderzenia i skoncentrowane obciążenia, ale zbyt duża twardość może również zmniejszyć plastyczność i spowodować pękanie w ostatecznej formie. Osiągnięcie równowagi między twardością a ciągliwością zapewnia optymalną wydajność produktów z węglika krzemu.

Domieszkowanie, stopowanie i obróbka powierzchni mogą zwiększyć twardość węglika krzemu. Implantacja jonowa i chemiczne osadzanie z fazy gazowej dodają do a-SiC pierwiastki, które zmieniają jego właściwości elektryczne lub tworzą warstwy różnych materiałów na jego powierzchni; natryskiwanie termiczne topi materiały stałe przed natryskiem na jego powierzchnię w celu uzyskania powłok, które mogą zwiększyć twardość powierzchni, jednocześnie poprawiając smarowność; podczas gdy techniki wgłębiania pomagają określić jego prawdziwą twardość poprzez pomiar głębokości i geometrii stref deformacji i pęknięć; ujawnia to potencjalne punkty złamania, a także krytyczne tryby pękania w wydajności mechanicznej.

Właściwości mechaniczne

Węglik krzemu jest jednym z najtwardszych dostępnych materiałów, o twardości 9 w skali Mohsa (twardsze są tylko diament, sześcienny azotek boru i węglik boru). Sprawia to, że jest on wyjątkowo odporny na zużycie fizyczne, a jednocześnie pozostaje lekki i ma doskonałą odporność na ścieranie. Co więcej, chemikalia nie rozkładają go łatwo, a on sam zachowuje wytrzymałość w wyższych temperaturach.

Hexoloy SA SiC, spiekana forma węglika krzemu alfa, jest coraz bardziej popularnym materiałem do dysz śrutowniczych i elementów cyklonów ze względu na doskonałą odporność na erozję chemiczną w porównaniu z materiałami ceramicznymi. Co więcej, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej Hexoloy SA SiC sprawia, że nadaje się on do zastosowań wymagających ekstremalnych zmian temperatury.

Ze względu na wysoką przewodność cieplną, węglik krzemu okazał się przydatny w wielu zastosowaniach, począwszy od ekranowania reaktorów jądrowych i produkcji ceramiki, poprzez produkcję narzędzi skrawających, a skończywszy na popularnym materiale na zwierciadła teleskopów, ponieważ może być wytwarzany metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej z wyjątkowo twardą powierzchnią.

Węglik krzemu jest doskonałym absorberem neutronów ze względu na swój monokrystaliczny wzrost i wysoką gęstość energii. Przed użyciem węglika krzemu do jakichkolwiek celów ważne jest zrozumienie jego właściwości mechanicznych, takich jak moduł Younga, wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności i twardość.

Właściwości termiczne

Właściwości termiczne węglika krzemu sprawiają, że jest on doskonałym materiałem do zastosowań, w których konieczne jest utrzymywanie wysokich temperatur, w tym w urządzeniach zasilających i diodach LED. Co więcej, jego doskonałe przewodnictwo elektryczne sprawiło, że stał się popularny jako materiał na komponenty LED i materiał konstrukcyjny urządzeń zasilających. Wreszcie, węglik krzemu charakteryzuje się wysoką odpornością chemiczną, a także niską rozszerzalnością cieplną, co czyni go trwałym wyborem.

Węglik krzemu jest jednym z najtwardszych i najlżejszych dostępnych zaawansowanych materiałów ceramicznych, rywalizującym pod względem twardości z diamentem i węglikiem boru. Ze względu na swoją fizyczną odporność na zużycie i ochronę przed erozją, a także obojętność chemiczną i niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, stanowi doskonały wybór materiału do dysz śrutowniczych i elementów cyklonowych.

Ze względu na swoją lekkość i twardość, tlenek glinu jest często stosowany jako materiał ścierny; jednak jego wszechstronność oznacza, że może być również formowany w inne kształty do innych zastosowań. Węglik glinowo-tytanowy (TAC), powszechnie łączony z wolframem w celu stworzenia materiału TAC, ma wiele zastosowań, od prętów kontrolnych w reaktorach jądrowych po różne zastosowania w przemyśle i wojsku.

SiC jest skuteczną osłoną przed promieniowaniem ze względu na jego zdolność do pochłaniania neutronów. Co więcej, powlekanie go węglem może wzmocnić tę właściwość i jeszcze bardziej zwiększyć wydajność jako pochłaniacza neutronów - coś, co doprowadziło do wielu zastosowań przemysłowych, kamizelek kuloodpornych i producentów pancerzy czołgów i nie tylko do włączenia SiC do swoich projektów.