Керамика из карбида кремния (SiC) является ведущим классом передовых промышленных керамик, широко признанных за их исключительную высокотемпературную производительность в экстремальных условиях эксплуатации.с высокой чистотой, горячим прессомкерамика из карбида кремнияподдержки отличаются тем, что сохраняют более 80% прочности при комнатной температуре при 1200°C. В этой статье представлен практический и технический анализ их физических и химических свойств,сравнивает их с другими конструктивными керамиками, описывает процесс производства и исследует ключевые промышленные применения.

1. Физические и химические свойства высокочистого горячепрессованного силикона

Карбид кремния является преимущественно ковалентным соединением со стабильной кристаллической структурой, что обеспечивает выдающуюся твердость, прочность и износостойкость.высокочистая керамика SiC может достигать плотности, близкой к теоретическому значению, и чрезвычайно низкой пористости, что значительно повышает механическую надежность.

Ключевые параметры производительности

• Устойчивость к изгибу при комнатной температуре:≥ 500 МПа

• Эластичный модуль:~ 400 ГПа

• Теплопроводность (при 1200°C):~ 80 W/m·K

• Коэффициент теплового расширения:~ 4,5 × 10−6 /°C

• Устойчивость к окислению:До 1600°C приблизительно

• Сохранение прочности при 1200°C:> 80% от значения при комнатной температуре

Выдающееся сохранение прочности при высоких температурах в первую очередь объясняется:

1. Высокая чистота сырья, что минимизирует межзернистые стеклянные фазы.

2. Сцинтерирование горячим прессом, который подавляет чрезмерный рост зерна.

3. Почти полная уплотнение, уменьшает скольжение и высокотемпературное смягчение.

В результате материал сохраняет структурную целостность и стабильность измерений при длительном воздействии повышенных температур.

Химически, керамика SiC демонстрирует отличную коррозионную устойчивость к большинству кислот, щелочей и расплавленных солей, что делает ее подходящей для суровой химической среды.

2. Сравнение с другими конструктивными керамическими материалами

Для лучшего понимания его расположения высокочистый горячепрессованный SiC можно сравнить с обычной инженерной керамикой:

По сравнению с алюминиевым (Al2O3)

Преимущества SiC:

• Более высокая устойчивость при высоких температурах

• Более высокая теплопроводность

• Высокая термостойкость

Ограничения:

• Более высокие затраты на материалы и переработку

• Более требовательные требования к обработке

Прочность алюминия при 1200 °C обычно падает ниже 50% от его значения при комнатной температуре, а его более низкая теплопроводность снижает сопротивление тепловым градиентам.

По сравнению с нитридом кремния (Si3N4)

Преимущества SiC:

• Лучшая коррозионная стойкость

• Более высокая теплопроводность

• Высокая стабильность при окислении при экстремальных температурах

Ограничения:

• Немного ниже прочность на переломе

• Более низкая устойчивость к ударам

Нитрид кремния, как правило, обладает более высокой прочностью при переломе, что делает его более подходящим для применения при ударах, тогда как SiC превосходит в коррозионных условиях высокой температуры.

По сравнению с цирконом (ZrO2)

Преимущества SiC:

• Высокая стабильность при высоких температурах

• Нет фазовой трансформации при повышенных температурах

• Более высокая теплопроводность

Ограничения:

• Низкая прочность при комнатной температуре

Циркония может претерпевать фазовые преобразования выше 1000 °C, что потенциально приводит к длительной деградации свойств, тогда как SiC остается структурно стабильным.

Общая оценка

Основные преимущества:

• Отличная устойчивость при высоких температурах

• Высокая теплопроводность

• Высокая коррозионная и окислительная стойкость

• Выдающаяся износостойкость

Основные проблемы:

• Внутренняя ломкость

• Чувствительность к микродефектам

• Относительно высокие издержки производства

Эти факторы требуют строгого контроля процесса при производстве.

3. Обзор производственного процесса

Производство высокочистых горячо прессованных керамических опор SiC включает в себя несколько точно контролируемых этапов:

1Выбор сырья

Высокочистый порошок SiC (обычно ≥ 99,5%) выбирается для минимизации примеси, которые могут ухудшить производительность при высоких температурах.

2. Переработка порошка

Порошок мелко измельчают и гомогенизируют.

3. Формирование

Зеленые тела формируются путем сухого прессования или изостатического прессования, обеспечивая равномерное распределение плотности.

4. Горячепрессовое сцинтерирование (процесс ядра)

Компакт помещают в графитовую матрицу и синтерируют под:

• Температура:1900 ≈ 2100°C

• Давление:20 ‰ 40 МПа

• Атмосфера:Инертные

Одновременная высокая температура и давление облегчают переустройство и диффузию частиц, что приводит к почти полной уплотнённости и усовершенствованной микроструктуре.

5. Точная обработка

Послесинтерная обработка выполняется с использованием алмазных инструментов для достижения строгих допустимых размеров и требований к отделке поверхности.

Сочетание высокой чистоты, контролируемого роста зерна и низкой пористости обеспечивает постоянную механическую производительность при высоких температурах.

4Промышленное применение

Из-за его способности сохранять более 80% прочности при комнатной температуре при 1200 °C, горячепрессованные керамические опоры SiC широко используются в высокотемпературных и коррозионных средах.

Аэрокосмическая

• Структурные компоненты двигателя

• Линеры для камер сгорания

• Элементы теплозащиты

Энергия и производство электроэнергии

• Компоненты газовых турбин

• Конструкции реакторов высокой температуры

• Усовершенствованные поддержки тепловой системы

Химическая и металлургическая промышленность

• Оболочки печей и поддерживающие устройства

• Коррозионностойкие ролики и конструктивные части

• Компоненты для обработки расплавленной соли

Обработка полупроводников

• Подпорки для высокотемпературных пластин

• Приборы для тепловой обработки

• Структурные носители, чувствительные к загрязнению

Его высокая чистота и тепловая устойчивость делают его особенно подходящим для окружающей среды с контролируемым загрязнением.

Заключение

Высокочистые керамические подложки из карбида кремния сочетают в себе исключительную тепловую устойчивость, механическую прочность и коррозионную устойчивость.они являются одними из самых надежных материалов для требовательных структурных приложений высокой температуры.

Хотя затраты на производство относительно высоки, а материал остается по своей сути хрупким, точная обработка и микроструктурный контроль обеспечивают выдающиеся долгосрочные характеристики.Поскольку промышленность продолжает выдвигать эксплуатационные пределы температурыПоскольку высокоэффективная и долговечная высокотемпературная SiC-керамика останется критическим материалом для передовых производственных и энергетических систем.