Właściwości materiału z węglika krzemu

Węglik krzemu (SiC) to niezwykle trwała ceramika nietlenkowa o wyjątkowych właściwościach termicznych, mechanicznych i elektrycznych. Chociaż SiC nie występuje naturalnie w przyrodzie, z wyjątkiem niezwykle rzadkiego minerału moissanitu, masowa produkcja rozpoczęła się w 1891 roku przez wynalazcę z Pensylwanii Edwarda G. Achesona.

Twardy jak stal z oceną 9 w skali Mohsa i plasujący się tuż za diamentem na wykresie skali twardości, dwutlenek cyrkonu jest również wysoce odporny na wstrząsy i z łatwością toleruje wysokie napięcia.

Twardość

Węglik krzemu jest niezwykle twardym materiałem o doskonałej wytrzymałości mechanicznej, który może wytrzymać znaczne naprężenia i ciśnienia, przy stosunkowo niskich współczynnikach rozszerzalności cieplnej i wyjątkowych właściwościach obojętności chemicznej, co czyni tę ceramikę doskonałym wyborem do wielu wymagających zastosowań.

Imponująca twardość węglika krzemu - plasującego się na 9. miejscu w skali twardości Mohsa i przyćmionego jedynie przez diament i węglik boru - wynika z jego unikalnej struktury krystalicznej, składającej się z czterech atomów węgla i czterech atomów krzemu ściśle związanych w obrębie sieci kratowej wiązaniami kowalencyjnymi, które tworzą czterostronne struktury tetraedryczne połączone kowalencyjnie w ramach atomowej struktury kratowej. Taki układ zapewnia wyjątkową twardość - coś, czym nie mogą pochwalić się inne materiały przemysłowe, takie jak tlenek glinu.

Produkcja węglika krzemu obejmuje przetwarzanie węglika krzemu w różne formy do określonych zastosowań, od reakcji z metalami, poprzez podgrzewanie go do stanu amorficznego i spiekanych powierzchni, aż po infiltrację do stanu stałego lub ciekłego w zależności od wymagań aplikacji.

Strukturalny węglik krzemu (SiC) jest infiltrowalną mieszaniną krzemu i węgla 5-20%, która została wprowadzona do matrycy krzemianowej. Jego właściwości sprawiają, że nadaje się do stosowania w elementach konstrukcyjnych, takich jak łożyska, uszczelnienia mechaniczne, narzędzia skrawające, a także jest przydatny w zastosowaniach ściernych, ponieważ jego twardość pozostaje niezmieniona pod wpływem naprężeń mechanicznych i nacisku.

Węglik krzemu został po raz pierwszy odkryty jako materiał ścierny w 1891 roku i od tego czasu jest szeroko wykorzystywany w tym zastosowaniu. Dostępny zarówno luzem, jak i zmieszany ze spoiwem w celu dalszego kształtowania w podkładki, tarcze lub pasy, węglik krzemu charakteryzuje się niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, a także wysoką odpornością na korozję.

Węglik krzemu (SiC) to jedna z najlepszych na świecie ceramik przemysłowych, charakteryzująca się wyjątkowymi właściwościami termicznymi, mechanicznymi i chemicznymi, które sprawiają, że nadaje się do wielu krytycznych zastosowań w trudnych warunkach, takich jak łożyska pomp, zawory, wtryskiwacze do piaskowania, wykładziny pieców i matryce do wytłaczania. Ponadto SiC znajduje zastosowanie w aplikacjach ściernych, ponieważ jest twardszy, ale mniej kruchy niż bardziej popularne alternatywy, takie jak tlenek glinu.

Stabilność termiczna

Węglik krzemu jest niezwykle stabilnym termicznie materiałem i nie rozpada się ani nie rozpada pod wpływem wysokich temperatur, co czyni go idealnym materiałem do zastosowań wymagających długotrwałego narażenia, takich jak druk 3D, balistyka, produkcja chemiczna, technologia energetyczna, produkcja papieru i komponenty systemów rurowych.

Struktury krystaliczne materiałów charakteryzują się regularnymi, ściśle upakowanymi strukturami atomów połączonych ze sobą kowalencyjnie. Tworzy to stałą strukturę krystaliczną, która jest bardziej odporna na ciepło niż materiały amorficzne, takie jak tworzywa sztuczne. Silne wiązania jonowe i metaliczne również zapewniają dodatkową wytrzymałość. Wreszcie, układ atomów i rozmiary cząsteczek przyczyniają się do stabilności termicznej, opierając się rozszerzalności cieplnej i kurczeniu się łatwiej niż ich niekrystaliczne odpowiedniki.

Trwałość i odporność na zużycie węglika krzemu sprawiają, że jest on doskonałym materiałem do stosowania w procesach obróbki ściernej, w tym docierania. Luźny węglik krzemu może być stosowany do docierania; mieszany z materiałem ściernym w celu utworzenia past/sztyftów/krążków/pasów; lub formowany przy użyciu arkuszy wiążących w arkusze, krążki i pasy ukształtowane z węglika krzemu. Węglik krzemu stał się również szeroko stosowanym materiałem ściernym w nowoczesnym lapidarstwie (rzeźbieniu w kamieniu).

Wodoodporne blachy oferują doskonałą odporność na korozję i utlenianie, co czyni je atrakcyjnym materiałem do stosowania w wymagających środowiskach przemysłowych, w których często występują agresywne środowiska chemiczne, takie jak kwaśne oczyszczalnie ścieków lub kotły parowe.

Krystaliczna struktura węglika krzemu zapewnia mu imponującą wytrzymałość i sztywność, co czyni go jedną z najtwardszych ceramik przemysłowych na rynku. Wytwarzany przy użyciu różnych procesów - między innymi spiekania, spajania i spiekania reaktywnego - materiał ten może być produkowany w wielu kształtach i rozmiarach, aby sprostać każdemu zastosowaniu. Ponadto, pomimo swojej wytrzymałości, węglik krzemu pozostaje stosunkowo lekki jak na zaawansowaną ceramikę, co znacznie ułatwia transport i obsługę; a jego bezpieczeństwo toksykologiczne czyni go doskonałym wyborem do stosowania w wymagających środowiskach przemysłowych

Obojętność chemiczna

Węglik krzemu, zwany również karborundem, staje się coraz bardziej popularnym materiałem w przemyśle motoryzacyjnym ze względu na swoje doskonałe właściwości mechaniczne. Odporny na wysokie temperatury i korozję w trudnych warunkach, węglik krzemu jest idealny do wielu różnych zastosowań.

Chemiczna obojętność węglika krzemu wynika z jego unikalnej struktury atomowej. Mówiąc dokładniej, atomy krzemu i węgla tworzą silne tetraedryczne wiązania kowalencyjne w sieci krystalicznej, umożliwiając współdzielenie elektronów przez orbitale hybrydowe sp3 - tworząc bardzo silne wiązania kowalencyjne, które zapewniają, że pozostaje on chemicznie obojętny nawet po wystawieniu na działanie agresywnych kwasów lub zasad. Dzięki temu węglik krzemu jest wyjątkowo stabilny i obojętny w kontakcie z agresywnymi kwasami lub zasadami.

Obojętność chemiczna węglika krzemu pozwala mu wytrzymać nawet ekstremalne warunki, dzięki czemu nadaje się do wysokowydajnych zastosowań inżynieryjnych, takich jak łożyska pomp, zawory, wtryskiwacze do piaskowania i matryce do wytłaczania. Co więcej, węglik krzemu jest szeroko wykorzystywany w piecach przemysłowych, a także do produkcji surowych materiałów metalurgicznych i kompozycji ceramicznych.

"Obojętny" w chemii odnosi się do każdej substancji, która nie bierze aktywnego udziału lub nie zmienia się znacząco po wystawieniu na działanie typowych środowisk chemicznych, takich jak gazy szlachetne z grupy 18 układu okresowego, które nie reagują z innymi pierwiastkami lub związkami.

Obojętność węglika krzemu jest również widoczna w jego odporności na promieniowanie i ekstremalne temperatury, co czyni go materiałem stosowanym w środowiskach o trudnych warunkach ściernych lub wysokich temperaturach, w których inne materiały uległyby degradacji w miarę upływu czasu. W związku z tym węglik krzemu znalazł szerokie zastosowanie jako materiał ścierny i odporny na ciepło.

Doskonałe właściwości półprzewodnikowe węglika krzemu sprawiają, że jest to najlepszy wybór do stosowania w urządzeniach elektronicznych, w szczególności jego odporność na napięcie, która jest 10 razy większa niż krzemu i działa nawet lepiej niż azotek galu w systemach powyżej 1000V. Ze względu na te właściwości, węglik krzemu szybko stał się preferowanym materiałem zastępującym krzem w elementach obwodów o dużej mocy; na przykład Alter Technology zaprojektował blokujące diody SiC specjalnie dla misji BepiColombo, które są zbudowane z diod SiC zaprojektowanych przez Alter, aby wytrzymać trudne warunki kosmiczne - aby dowiedzieć się więcej o tych niesamowitych właściwościach, skontaktuj się z jednym z naszych dostawców węglika krzemu za pośrednictwem jednego z naszych linków powyżej!

Przewodność elektryczna

Węglik krzemu (SiC), choć niezwykle twardy, jest wyjątkowym przewodnikiem elektrycznym ze względu na swoją krystaliczną strukturę: Atomy Si i C są połączone silnymi wiązaniami kowalencyjnymi w uporządkowanej sieci krystalicznej, tworząc dużą liczbę wolnych elektronów, które łatwo reagują na pole elektryczne i umożliwiają przepływ energii elektrycznej bez większego oporu.

SiC jest chemicznie obojętny i wysoce odporny na korozję. Jest odporny na większość organicznych i nieorganicznych kwasów, zasad lub soli w zwykłych stężeniach - z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego i siarkowego w wysokich stężeniach - a także na chemikalia stosowane w procesach przemysłowych.

Dlatego węglik krzemu jest szeroko stosowany do szlifowania metali i ceramiki. Co więcej, stanowi nieoceniony składnik wielu materiałów ogniotrwałych, takich jak cegły wysokotemperaturowe. Co więcej, węglik krzemu ma twardość 9 w skali Mohsa, co plasuje go gdzieś pomiędzy tlenkiem glinu a diamentem jako najtwardszy znany materiał syntetyczny. Co więcej, jego charakterystyka pękania jest doskonała, a jednocześnie zapewnia wyjątkową odporność na szok termiczny.

Przewodność elektryczną węglika krzemu można znacznie zwiększyć poprzez dodanie zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia te działają jako dodatkowe nośniki ładunku lub centra rozpraszania, zmieniając jego strukturę elektronową. Domieszkowanie aluminium i borem skutkuje półprzewodnikami typu p, podczas gdy zanieczyszczenia azotem i fosforem tworzą półprzewodniki typu n.

Co więcej, zanieczyszczenia te znacznie zmniejszają opór elektryczny materiału wraz ze wzrostem jego temperatury i napięcia, dzięki czemu nadaje się on do zastosowań wymagających wysokich temperatur, napięć i częstotliwości.

Węglik krzemu jest idealnym materiałem dla komponentów, które muszą wytrzymywać duże obciążenia mechaniczne, w tym w zastosowaniach lotniczych, motoryzacyjnych i obronnych. Co więcej, materiał ten ma ogromny potencjał jako materiał na czujniki promieniowania lub komponenty urządzeń optoelektronicznych - a jego potencjalne zastosowania biologiczne są obecnie badane; Alter Technology opracowała blokujące diody SiC specjalnie zaprojektowane, aby wytrzymać trudne warunki kosmiczne podczas misji BepiColombo na Merkurego.