Ceramika z węglika krzemu (SiC)Stały się podstawowym materiałem w dziedzinie wysokotemperaturowej ceramiki konstrukcyjnej ze względu na niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, wysoką przewodność cieplną, wysoką twardość oraz doskonałą stabilność termiczną i chemiczną. Są szeroko stosowane w kluczowych dziedzinach, takich jak przemysł lotniczy i kosmiczny, energetyka jądrowa, wojsko i półprzewodniki.
Jednak niezwykle silne wiązania kowalencyjne i niski współczynnik dyfuzji SiC utrudniają jego zagęszczanie. W tym celu przemysł opracował różne technologie spiekania, a ceramika SiC wytwarzana różnymi technologiami różni się znacząco pod względem mikrostruktury, właściwości i scenariuszy zastosowań. Poniżej przedstawiono analizę podstawowych cech pięciu popularnych ceramik z węglika krzemu.
1. Ceramika SiC spiekana bezciśnieniowo (S-SiC)
Główne zalety: Nadaje się do wielu procesów formowania, niski koszt, brak ograniczeń co do kształtu i rozmiaru, jest to najłatwiejsza metoda spiekania do masowej produkcji. Poprzez dodanie boru i węgla do β-SiC zawierającego śladowe ilości tlenu i spiekanie w atmosferze obojętnej w temperaturze około 2000°C, można uzyskać spiek o teoretycznej gęstości 98%. Istnieją dwa procesy: w fazie stałej i w fazie ciekłej. Pierwszy charakteryzuje się wyższą gęstością i czystością, a także wysoką przewodnością cieplną i wytrzymałością w wysokich temperaturach.
Typowe zastosowania: masowa produkcja odpornych na zużycie i korozję pierścieni uszczelniających oraz łożysk ślizgowych; Ze względu na wysoką twardość, niski ciężar właściwy i dobre właściwości balistyczne, jest szeroko stosowany jako pancerz kuloodporny w pojazdach i statkach, a także do ochrony cywilnych sejfów i pojazdów do transportu gotówki. Jego odporność na wielokrotne uderzenia jest wyższa niż w przypadku zwykłej ceramiki SiC, a punkt pęknięcia lekkiego cylindrycznego pancerza ochronnego może osiągnąć ponad 65 ton.
2. Ceramika SiC spiekana reaktywnie (RB SiC)
Główne zalety: Doskonałe właściwości mechaniczne, wysoka wytrzymałość, odporność na korozję i utlenianie; Niska temperatura i koszt spiekania, możliwość formowania wsadów o rozmiarze zbliżonym do rozmiaru netto. Proces polega na zmieszaniu źródła węgla z proszkiem SiC w celu wytworzenia wsadu. W wysokich temperaturach stopiony krzem infiltruje wsad i reaguje z węglem, tworząc β-SiC, który łączy się z pierwotnym α-SiC i wypełnia pory. Zmiana rozmiaru podczas spiekania jest niewielka, co czyni ten materiał idealnym do przemysłowej produkcji wyrobów o złożonych kształtach.
Typowe zastosowania: piece wysokotemperaturowe, rury promieniujące, wymienniki ciepła, dysze odsiarczające; Ze względu na niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, wysoki moduł sprężystości i właściwości formowania zbliżone do netto, stał się idealnym materiałem na reflektory kosmiczne; Może również zastąpić szkło kwarcowe jako element nośny lamp elektronicznych i sprzętu do produkcji układów scalonych półprzewodnikowych.
3. Ceramika spiekana SiC prasowana na gorąco (HP SiC)
Główna zaleta: Synchroniczne spiekanie w wysokiej temperaturze i ciśnieniu, proszek jest w stanie termoplastycznym, co sprzyja procesowi przenoszenia masy. Pozwala to na wytwarzanie produktów o drobnym ziarnie, wysokiej gęstości i dobrych właściwościach mechanicznych w niższych temperaturach i w krótszym czasie, a także umożliwia uzyskanie pełnej gęstości i stanu spiekania bliskiego czystości.
Typowe zastosowanie: Pierwotnie stosowany jako kamizelki kuloodporne dla załóg amerykańskich śmigłowców podczas wojny w Wietnamie, rynek materiałów opancerzonych został zastąpiony przez węglik boru prasowany na gorąco. Obecnie jest on stosowany głównie w zastosowaniach o wysokiej wartości dodanej, takich jak dziedziny o wyjątkowo wysokich wymaganiach dotyczących kontroli składu, czystości i zagęszczania, a także w przemyśle odpornym na zużycie i przemyśle jądrowym.
4. Rekrystalizowana ceramika SiC (R-SiC)
Główna zaleta: brak konieczności dodawania środków wspomagających spiekanie, jest to powszechna metoda przygotowywania ultraczystych i dużych urządzeń z SiC. Proces polega na mieszaniu gruboziarnistego i drobnoziarnistego proszku SiC w odpowiednich proporcjach, formowaniu ich, a następnie spiekaniu w atmosferze obojętnej w temperaturze 2200–2450°C. Drobne cząsteczki odparowują i kondensują się na styku gruboziarnistych cząsteczek, tworząc ceramikę o twardości ustępującej jedynie diamentowi. SiC zachowuje wysoką wytrzymałość w wysokich temperaturach, odporność na korozję, utlenianie i szok termiczny.
Typowe zastosowania: wyposażenie pieców wysokotemperaturowych, wymienniki ciepła, dysze spalania; w przemyśle lotniczym i wojskowym jest używany do produkcji elementów konstrukcyjnych statków kosmicznych, takich jak silniki, stateczniki i kadłuby, co może poprawić wydajność sprzętu i wydłużyć jego żywotność.
5. Ceramika SiC infiltrowana krzemem (SiSiC)
Główne zalety: Idealnie nadaje się do produkcji przemysłowej, charakteryzuje się krótkim czasem spiekania, niską temperaturą, jest całkowicie gęsty i nieodkształcony, składa się z matrycy SiC i infiltrowanej fazy Si, a proces ten jest podzielony na dwa etapy: infiltrację cieczą i infiltrację gazem. Ten drugi jest droższy, ale zapewnia lepszą gęstość i jednorodność wolnego krzemu.
Typowe zastosowania: niska porowatość, dobra szczelność i niska rezystancja sprzyjają eliminacji elektryczności statycznej, nadają się do produkcji dużych, złożonych lub pustych części, szeroko stosowane w urządzeniach do przetwarzania półprzewodników; Ze względu na wysoki moduł sprężystości, lekkość, wysoką wytrzymałość i doskonałą szczelność jest to preferowany materiał o wysokiej wydajności w branży lotniczej, który może wytrzymać obciążenia w środowisku kosmicznym i zapewnić dokładność i bezpieczeństwo sprzętu.
Czas publikacji: 02.09.2025