Керамика из карбида кремния (SiC)Благодаря низкому коэффициенту теплового расширения, высокой теплопроводности, высокой твёрдости и превосходной термической и химической стабильности они стали основным материалом в области высокотемпературной конструкционной керамики. Они широко используются в таких ключевых областях, как аэрокосмическая промышленность, атомная энергетика, военная промышленность и производство полупроводников.
Однако чрезвычайно прочные ковалентные связи и низкий коэффициент диффузии SiC затрудняют его уплотнение. С этой целью в промышленности были разработаны различные технологии спекания, и керамика на основе SiC, полученная разными методами, существенно различается по микроструктуре, свойствам и сферам применения. Ниже представлен анализ основных характеристик пяти основных видов керамики на основе карбида кремния.
1. Керамика SiC, спеченная без давления (S-SiC)
Основные преимущества: подходит для различных процессов формования, низкая стоимость, отсутствие ограничений по форме и размеру, самый простой метод спекания для массового производства. Добавление бора и углерода к β-SiC, содержащему следовые количества кислорода, и спекание в инертной атмосфере при температуре около 2000 ℃ позволяет получить спеченное тело с теоретической плотностью 98%. Существует два процесса: твердофазный и жидкофазный. Первый метод обладает более высокой плотностью и чистотой, а также высокой теплопроводностью и жаропрочностью.
Типичные области применения: Массовое производство износостойких и коррозионностойких уплотнительных колец и подшипников скольжения. Благодаря высокой твёрдости, малому удельному весу и хорошим баллистическим свойствам, он широко используется в качестве пуленепробиваемой брони для автомобилей и судов, а также для защиты гражданских сейфов и инкассаторских машин. Его стойкость к многократным ударам превосходит стойкость к воздействию обычной керамики на основе карбида кремния, а предел прочности цилиндрической лёгкой защитной брони может достигать более 65 тонн.
2. Реакционно-спеченная керамика SiC (RB SiC)
Основные преимущества: Отличные механические характеристики, высокая прочность, коррозионная стойкость и стойкость к окислению; Низкая температура и стоимость спекания, возможность формования изделий практически в готовом виде. 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, соединяясь с исходным α-SiC, заполняет поры. Изменение размеров при спекании незначительно, что делает этот метод пригодным для промышленного производства изделий сложной формы.
Типичные области применения: высокотемпературное печное оборудование, радиационные трубы, теплообменники, сопла для десульфурации; благодаря низкому коэффициенту теплового расширения, высокому модулю упругости и близким к чистой формовке характеристикам он стал идеальным материалом для космических отражателей; он также может заменить кварцевое стекло в качестве опорной арматуры для электронных ламп и оборудования для производства полупроводниковых чипов.
3. Горячепрессованная спеченная керамика SiC (HP SiC)
Основное преимущество: синхронное спекание при высокой температуре и высоком давлении, при котором порошок находится в термопластичном состоянии, что способствует массопереносу. Это позволяет получать изделия с мелкозернистой структурой, высокой плотностью и хорошими механическими свойствами при более низких температурах и в более короткие сроки, достигая полной плотности и состояния, близкого к чистому спеканию.
Типичное применение: Первоначально использовавшийся в качестве пуленепробиваемых жилетов для членов экипажей вертолетов США во время войны во Вьетнаме, на рынке брони был заменен карбидом бора горячего прессования; в настоящее время он в основном используется в сценариях с высокой добавленной стоимостью, например, в областях с чрезвычайно высокими требованиями к контролю состава, чистоте и уплотнению, а также в износостойких и атомных отраслях промышленности.
4. Рекристаллизованная керамика SiC (R-SiC)
Основное преимущество: отсутствие необходимости добавления спекающих добавок, это распространённый метод изготовления сверхчистых и крупногабаритных устройств на основе SiC. Процесс включает смешивание крупно- и мелкодисперсных порошков SiC в пропорциях, формование и спекание в инертной атмосфере при температуре 2200–2450 °C. Мелкие частицы испаряются и конденсируются при контакте друг с другом, образуя керамику, по твёрдости уступающую только алмазу. SiC сохраняет высокую жаропрочность, коррозионную стойкость, стойкость к окислению и термоударам.
Типичные области применения: высокотемпературная печная оснастка, теплообменники, сопла сгорания; в аэрокосмической и военной сфере он используется для изготовления конструктивных элементов космических аппаратов, таких как двигатели, хвостовые стабилизаторы и фюзеляж, что позволяет улучшить эксплуатационные характеристики оборудования и увеличить срок его службы.
5. Керамика SiC, пропитанная кремнием (SiSiC)
Основные преимущества: Наиболее подходит для промышленного производства, характеризуется коротким временем спекания, низкой температурой, высокой плотностью и недеформируемостью, состоит из матрицы SiC и инфильтрованной фазы Si. Процесс инфильтрации подразделяется на два: жидкостную и газовую. Последний процесс более затратный, но обеспечивает лучшую плотность и однородность свободного кремния.
Типичные области применения: низкая пористость, хорошая герметичность и низкое сопротивление способствуют устранению статического электричества, подходят для изготовления крупных, сложных или полых деталей, широко используются в оборудовании для обработки полупроводников; благодаря высокому модулю упругости, малому весу, высокой прочности и превосходной герметичности он является предпочтительным высокопроизводительным материалом в аэрокосмической отрасли, который может выдерживать нагрузки в космической среде и обеспечивать точность и безопасность оборудования.
Время публикации: 02.09.2025