Керамика из карбида кремния (SiC)Благодаря низкому коэффициенту теплового расширения, высокой теплопроводности, высокой твердости и превосходной термической и химической стабильности, эти материалы стали ключевыми в области высокотемпературной конструкционной керамики. Они широко используются в таких важных областях, как аэрокосмическая промышленность, атомная энергетика, военная промышленность и полупроводниковая промышленность.
Однако чрезвычайно прочные ковалентные связи и низкий коэффициент диффузии SiC затрудняют его уплотнение. В связи с этим в промышленности разработаны различные технологии спекания, и керамика SiC, полученная с помощью разных технологий, имеет существенные различия в микроструктуре, свойствах и сценариях применения. В данной работе представлен анализ основных характеристик пяти распространенных видов керамики из карбида кремния.
1. Керамика SiC, полученная без давления методом спекания (S-SiC)
Основные преимущества: подходит для различных процессов формования, низкая стоимость, отсутствие ограничений по форме и размеру, это самый простой метод спекания для достижения массового производства. Путем добавления бора и углерода к β-SiC, содержащему следовые количества кислорода, и спекания в инертной атмосфере при температуре около 2000 ℃ можно получить спеченное изделие с теоретической плотностью 98%. Существуют два процесса: твердофазный и жидкофазный. Первый обладает более высокой плотностью и чистотой, а также высокой теплопроводностью и прочностью при высоких температурах.
Типичные области применения: серийное производство износостойких и коррозионностойких уплотнительных колец и подшипников скольжения; благодаря высокой твердости, низкой удельной плотности и хорошим баллистическим характеристикам, широко используется в качестве пуленепробиваемой брони для транспортных средств и кораблей, а также для защиты гражданских сейфов и транспортных средств для перевозки наличных денег. Его устойчивость к многократным попаданиям превосходит обычную керамику SiC, а точка разрушения цилиндрической легкой защитной брони может достигать более 65 тонн.
2. Реакционно-спеченная керамика из карбида кремния (RB SiC)
Основные преимущества: Отличные механические характеристики, высокая прочность, коррозионная стойкость и стойкость к окислению; низкая температура спекания и низкая стоимость, возможность получения заготовок практически заданных размеров. Процесс включает смешивание источника углерода с порошком SiC для получения заготовки. При высоких температурах расплавленный кремний проникает в заготовку и реагирует с углеродом, образуя β-SiC, который соединяется с исходным α-SiC и заполняет поры. Изменение размеров в процессе спекания незначительно, что делает его пригодным для промышленного производства изделий сложной формы.
Типичные области применения: высокотемпературное печное оборудование, излучающие трубки, теплообменники, десульфурирующие форсунки; благодаря низкому коэффициенту теплового расширения, высокому модулю упругости и практически безотходным характеристикам, он стал идеальным материалом для космических отражателей; он также может заменить кварцевое стекло в качестве опорного элемента для электронных ламп и оборудования для производства полупроводниковых микросхем.
3. Керамика из карбида кремния, полученная методом горячего прессования и спекания (HP SiC)
Основное преимущество: Синхронное спекание при высокой температуре и высоком давлении, порошок находится в термопластичном состоянии, что способствует процессу массопереноса. Это позволяет получать изделия с мелкими зернами, высокой плотностью и хорошими механическими свойствами при более низких температурах и за более короткое время, а также достигать полной плотности и состояния, близкого к чистому спеканию.
Типичное применение: Первоначально использовавшийся в качестве бронежилетов для экипажей американских вертолетов во время войны во Вьетнаме, он был вытеснен с рынка бронезащиты карбидом бора горячего прессования; в настоящее время он в основном используется в высокотехнологичных областях, таких как сферы с чрезвычайно высокими требованиями к контролю состава, чистоты и плотности, а также в износостойкой и атомной промышленности.
4. Перекристаллизованная керамика SiC (R-SiC)
Основное преимущество: отсутствие необходимости добавления спекающих добавок, это распространенный метод получения сверхчистых и крупных устройств из SiC. Процесс включает смешивание крупнозернистых и мелкозернистых порошков SiC в определенной пропорции и их формование, а затем спекание в инертной атмосфере при температуре 2200–2450 ℃. Мелкие частицы испаряются и конденсируются при контакте с крупными частицами, образуя керамику, твердость которой уступает только алмазу. SiC сохраняет высокую прочность при высоких температурах, коррозионную стойкость, стойкость к окислению и термостойкость.
Типичные области применения: высокотемпературная обрешетка, теплообменники, форсунки сгорания; в аэрокосмической и военной отраслях используется для изготовления конструктивных элементов космических аппаратов, таких как двигатели, хвостовые стабилизаторы и фюзеляж, что позволяет повысить производительность и срок службы оборудования.
5. Керамика из карбида кремния с добавлением кремния (SiSiC)
Основные преимущества: Наилучшая пригодность для промышленного производства, короткое время спекания, низкая температура, полная плотность и отсутствие деформаций, состоит из матрицы SiC и пропитанной фазы Si, подразделяется на два процесса: жидкостная инфильтрация и газовая инфильтрация. Последний имеет более высокую стоимость, но обеспечивает лучшую плотность и однородность свободного кремния.
Типичные области применения: низкая пористость, хорошая герметичность и низкое сопротивление способствуют устранению статического электричества, что делает материал подходящим для производства крупных, сложных или полых деталей, широко используемым в оборудовании для обработки полупроводников; благодаря высокому модулю упругости, малому весу, высокой прочности и превосходной герметичности, это предпочтительный высокоэффективный материал в аэрокосмической отрасли, способный выдерживать нагрузки в космической среде и обеспечивать точность и безопасность оборудования.
Дата публикации: 02.09.2025