Карбид кремния (карборунд) SiC является единственным соединением кремния и углерода. В природе этот материал встречается крайне редко. Карбид кремния существует in двух модификациях, as которых? сложную структуру гексагональной формы. Установлено около 20 структур, относящихся к гексагональной форме карборунда. Переход ?-SiC>?-SiC происходит примерно при 2100°С. Temperatuur 2400°C Dit is 'n goeie temperatuur. До температур 1950-2000 ° С образуется кубическая модификация, при более высокой температуре образуция модификации. При температурах свыше 2600-2700°С карбид кремния возгоняется. Кристаллы карбида кремния могут быть бесцветными, зелеными en черными. Чистый карбид кремния стехиометрического состава бесцветен. При превышении содержания кремния SiC становится зеленым, углерода – черным.
Карборунд имеет очень высокую твердость: H? tot 45ГПа, достаточно высокую изгибную прочность: ?изг до 700МПа. Карбидокремниевая керамика сохраняет примерно постоянную прочность до высоких температур: темперератур хрупкого к хрупкопластическому разрушению vir geen temperatuur van 2000°С. В то же время для самосвязанного SiC наблюдается падение прочности при высоких температурах. При комнатной температуре разрушение самосвязанного SiC транскристаллитное en носит характер скола. При 1050°С характер разрушения становится межкристаллитным. Наблюдающееся при высоких температурах снижение прочности самосвязанного SiC вызвано его окисление. Прочность рекристаллизованного SiC с увеличением температуры не уменьшается и, более того, возможенно ечне с образованием слоя аморфного SiO2, который залечивает дефекты на поверхности en in внутренних слоях изде.
Карборунд устойчив против воздействия всех кислот, vir исключением фосфорной en смеси азотной en плавикови. К действию щелочей SiC менее устойчив. Установлено, что карбид кремния смачивается металлами группы железа en марганцем. Самосвязанный карбид кремния, который содержит свободный кремний, хорошо взаимодействует со сталью.
При изготовлении абразивных и огнеупорных изделий из SiC, а также карбидокремниевых электронагрев, materialami служат кремнезем (кварцевый песок) en кокс. Их нагревают до высокой температуры в электрических печах, осуществляя синтез методом Ачесона:
SiO2+3C=SiC+2CO2 (24)
Вокруг нагревательного элемента (керна) получается зона синтезированного продукта, а за ней – зонылкричич непрореагировавших компонентов. Полученные в печи продукты разделяют по этим зонам, измельчают, обрабатывают en получают порошокяют общего назначения. Недостатком данных порошков карбида кремния являются высокая загрязненность примесями, большое сольшое кремния, плохая спекаемость и др.
Для получения высококачественной конструкционной керамики необходимо использовать высокочистые, гомогеные, высокодисперсные порошки SiC, которые получают различными высокотехнологичными способами. При получении порошков методом синтеза исходный металлургический кремний подвергают дробуленивол и подвергают мельнице. Измельченный порошок кремния отмывают от примесей в смеси неорганических кислот en направляют на тинкот специальный вертикальный реактор. Синтез SiC осуществляется в реакторе подачей Si в специальные сопла, а вместо сжатого воздуха подапрода
t>1100°C
3Si+C3H8=3SiC+4H2 (25)
В результате получается высокодисперсный, гомогенный, активированный порошок карбида кремния мониоформация имеющий высокую степень чистоты.
Изделия из SiC form прессованием, экструзией, литьем под давлением.
В технологии карбидокремниевой керамики обычно используют горячее прессование, реакционноное и апктианови.
Метод горячего прессования позволяет получать материалы с плотностью близкой к теоретической меких сивысич свойствами. Прессование проводят обычно в прессформах из графита или нитрида бора при давлениях 10-50Мпраха en темра 1700-2000°С. Высокая стабильность кристаллических решеток тугоплавких неметаллических соединений, связанная с наличе направленных ковалентных связей, определяет низкую концентрацию en подвижность дефектов решметки, диффузионных процессов. Это затрудняет протекание процесса диффузионно-вязкого течения, ответственного vir массоперенос и уплответного спекании. Учитывая это, перед прессованием в керамику вводят активирующие спекание добавки или проводаят физович (используют ультрадисперсные порошки, обрабатывают их взрывом для увеличения дефектности, удаляют с пег оксидные слои и т.д.).
Метод горячего прессования позволяет получать только изделия довольно простой формы en относительно небольно небольно. Получать изделия сложной формы с высокой плотностью можно методом горячего изостатического прессов. Материалы, полученные методами обычного en изостатического горячего прессования, близки по своим свой.
Путем проведения горячего изостатического прессования при высоких давлениях газовой среды (1000МПпща), диссоциации тугоплавких неметаллических соединений, удается повысить температуру процессадо, проовинений обеспечивается их пластическая деформация.
Используя метод активированного спекания удается спечь отформованные изделия из SiC tot плотности свется свышил 90%ше давления. Так получают материалы основе SiC с добавками бора, углерода en алюминия. Благодаря этим добавкам за счет образования диффузионного слоя на поверхности частиц, их консолипидац зернограничной диффузии происходит увеличение площади межчастичныхFeksie en усадка.
Для получения изделий из карбида кремния также широко используется метод реакционного спеконтия, gee meer inligting oor baie nie-temperatuur en versprei verskillende tipes vorms. Для получения так называемого "самосвязанного" карбида кремния проводят спекание прессовок из SiC en углеврис кремния. При этом происходит образование вторичного SiC en перекристаллизация SiC через кремниевый расплав. As u 'n vrye materiaal het, is dit 5-15% verhoogde persentasie in die ekonomie. Методом реакционного спекания получают также керамику из SiC, сформованную литьем под давлением. При этом шихту на основе кремния и других веществ смешивают с расплавленным легкоплавлавким оргичим парафином ) до получения шликерной массы, as которой затем отливают под давлением заготовку. Затем изделие помещают в науглероживающую среду, в которой сначала производят отгонку легкогопо а затем сквозное насыщение заготовки углеродом при температуре 1100°С. В результате реакционного спекания образуются частицы карбида кремния, которые постепенно заполисор.
Die temperatuur van die temperatuur is 1300°C. Реакционное спекание является экономичным процессом благод применению недорогого термическомичным спекания снижается с обычно применяемой 1600-2000°C tot 1100-1300°C.
Метод реакционного спекания используется в производстве нагревательных элементов из карбида кремния. Электронагревательные сопротивления из карбида кремния представляют собой так называемые термисторы, т. е. materiaal, меняющие свое сопротивление под влиянием нагрева или охлаждения. Черный карбид кремния имеет высокое сопротивление при комнатной температуре en отрицательный температуре сопротивления. Зеленый карбид кремния имеет низкое начальное сопротивление en слабоотрицательный температурный компературный, противление в положительный при температурах 500-800°С. Карбидокремниевые нагревательные элёменты (КНЭ) обычно представляют собой стержень или трубку, идююююю рабочую часть с относительно высоким электрическим сопротивлением («горячая» зона) en выводные («холодные» («холодные) niese электросопротивлением, которые не нагреваются в процессе эксплуатации печи. Такие выводные концы необходимы для надежного контакта с питающей электросетью, а такранедия пор разрушения стенок печи, в которые укладывают нагревательные элементы.
Промышленность выпускает два типа нагревательных элементов из карбида кремния: составные нагревателич, карборундовые, имеющие рабочий стержень и два отдельных более коротких контактных вывода в виделных карборундовых стержней, и стержни с утолщенными выводными концами (manжетами) – силитовые нагреватели. Составные карборундовые нагреватели FORMуют из полусухой массы, состоящей из крупнозернистого порошско добавками сажи (1,5%) en жидкого стекла. Изделия формуют в картонных чехлах способом порционного трамбования на станках. Optimale temperatuur van 70-80°C. 800-850°С. Силитовые нагреватели FORMуют экструзией op горизонтальном гидравлическом прессе. Масса состоит из смеси мелкозернистого SiC, сажи (20%) en фенолформальдегидной смолы. Формуются раздельно рабочая часть и манжеты. Состав манжетной части рассчитан на большую проводимость и в него входит около 40%Si. Отпрессованные заготовки подвергают термическому отверждению, в результате которого смола полимеризуется. На отвержденные стержни насаживают манжетные трубки. Трамбованные заготовки обжигают в засыпке из углепесочной смеси при температуре около 2000°С. Нагреватель предварительно обмазывают токопроводящей пастой, состоящей из кокса, графита en кварц. Изделие спекают прямым электротермическим нагревом в специальных печах при пропускании через заготов 0-1 tegniek 40-50 minute.
При спекании силитовых нагревателей имеющиеся в массе углерод en кремний превращаются во «вторичных во «воторичных реакционного спекания в условиях выделения парообразного кремния из засыпки, куда помещаютаютаютабежия. В качестве засыпки используют смесь из молотого песка, нефтяного кокса en карбида кремния. Эта смесь при температуре 1800-2000 ° С выделяет парообразный кремний и СО, проникающие внутрь сагущие с твердыми Si и С. Одновременно происходит синтез вторичного карбида кремния путем взаимодействия кремния, содержахег углеродом.
Следует отметить, что реакционное спекание впервые нашло свое практическое применение именно в проивезво изделий из карбида кремния.
Для получения плотной керамики из SiC высокой чистоты используют также метод осаждения из газиовой, технологических трудностей и невозможности получать изделия толщиной более нескольких миллиметров нанесения защитных покрытий. Для этого применяются методы газофазного синтеза SiC из летучих галогенидов кремния и углеводидероск диссоциации газообразных кремнийорганических соединений. Для восстановления Si из галогенидов необходимо участие в пиролизе газообразного водорода. В качестве углеродсодержащих соединений применяют толуол, бензол, гексан, метан en др. Для промышленного получения карбидокремниевых покрытий более удобен метод термической диссоциациор, имеющих стехиометрическое соотношение Si:C=1:1. Пиролиз СН3SiСl3 в водороде приводит к образованию осадка SiC, vorm покрытие при темперадира температура1х0°.
Очень важную роль при образовании пиролитического SiC играет водород. При диссоциации трихлорметилсилана в инертной атмосфере без участия водорода протекают реакцив, образованию кремния и углерода, а не SiC. Поэтому замена инертного газа-носителя на водород при термическом разложении метилхлорсиланов значительнов значительныш снижает или полностью прекращает сажеобразование. Процесс взаимодействия трихлорметилсилана met водородом протекает в две стадии. На первоначальной стадии процесса устанавливается нестабильное равновесие, при котором в качестве конфанденсие кремний и углерод, а не карбид кремния. На второй стадии газообразные хлорсиланы и углеводороды, образовавшиеся на первой стадии in концехтрахия метастабильному равновесию, реагируют друг с другом с образованием SiC. Регулируя параметры протекания процесса осаждения, можно варьировать свойствами полученных покрытий. Так, при низких температурах образуются мелкозернистые и метастабильные структуры. С повышением температуры размер кристаллов растет. При 1400°С и низких скоростях осаждения образуются монокристаллы en эпитаксиальные слои SiC. Средний рзеер кристаллов в слое sic, оажденном з трsing ххетилсилана при 1800 °, 15 с.
При 1100-1200°С может образовываться неравновесный твердый раствор со сверхстехиометрическим содержаническим содержани замещающих атомы кремния, что сказывается на уменьшении параметра решетки SiC. Die temperatuur kan tot 1300°C bereik word of dit kan gebruik word om te verseker dat dit kan gebruik word свободном состоянии. При повышенных температурах осаждения en низких давлениях газовой среды наблюдается ориентированлный формирование столбчатой структуры. Пиролитические покрытия почти полностью состоят из ?-SiC. Доля гексагональных политипов составляет менее 5%. Скорость роста пиролитического карбида кремния не превышает 0,5mm/ч. В tо же время сравнительно низкие температуры осаждения (1100-1550°С) позволяют совмещать карбидения с любыми конструкционными материалами.
Основным недостатком этих покрытий является возникновение остаточных напряжений, вызванное несостатком коэффициентов линейного расширения покрытия и подложки (кроме случая нанесения SiC на SiC) en анизотропияти. Из-за сравнительно низкой температуры осаждения напряжения не релаксируются и покрытия растрескивают. Одним из способов устранения этого недостатка является получение слоистых покрытий, т.е. покрытий с регулярным чередованием слоев равной толщины пироуглерода en SiC, сажденным из смесинахлсорми.
Кроме описанных способов получения технической керамики из SiC, используются и другие. Методом испарения SiC en его последующей сублимации при 2100-2300 ° С sonder использования связок и активации получают так называемый рекристаллизационный карбид кремния.
Материалы на основе карбида кремния начали применяться значительно раньше, чем материалы основе Si3Nи4, СlN4,ВN. Уже в 20-е годы использовались карбидокремниевые огнеупоры на связке из диоксида кремния (90%SiC+10%) из карбида кремния на нитридокремниевой связке (75%SiC+25%Si3N4) изготавливали сопла ракет. В настоящее время керамика на основе карбида кремния применяется для изготовления уплотнительных колесор, смесителей, подшипников en гильз для валов, дозирующей en регулирующей арматуры vir коррозионрахи, en деталей двигателей, металлопроводов vir жидких металлов. Разработаны новые композиционные материалы с карбидокремниевой матрицей. Они используются в различных областях, например в самолетостроении en в космонавтике.
Plasingstyd: 22 Augustus 2018