Керамика на основе sic - техническая керамика

Карбиegr кремния (карборундot) SiC является единственныы соединением кремния и и углерода. В природе этот материал встречается крайне редко. Карбиegr кремния существует в двух модикикацикх, из которых?-Моди£ф llwyr я я R сложную структуру гексагональной форы. Установлено около 20 структур, относящихся к гексагональной форме карборунда. Переход? -Sic>?-sic происходит примерно при 2100 ° с. При температуре 2400 ° с это превращение происходит весьма ыыстро. До температур 1950-2000 ° с образуется кубическа модикация, при более высокок теераынынынрнрныыыыыыыые iwtлые з модикикации. При температурах свыше 2600-2700 ° с карбиegr кремния возгоняется. Кристаллы карбиegrE кремния могут ыыть бесцветныы, зелеными и черныы. Чистый карбиegr кремния стехиометрического состава бесцветен. При превышении содержания кремния sic становится зеленым, углерода - черным.

Карборунд имеет очень высокую твердость: h? до 45гпа, достаточно высокую изгибную прочность:? изг до 700 мпа. КарбиegrUкремниевая керамика сохраняет приме ddwys постоянную прочность до дсок gof п п пouр: т мT хрупкого к хрупкопластическому разрушению для нее составляет 2000 ° с. В те же время для самосвязанного sic наблюдаетс падение прочности при ысоких тературах. При комнатной температуре разрушение самосвосвванного sic транскристаллитное и н харарараled. При 1050 ° с характер разрушения становится межкристаллитныы. Наблюдающееся при высоких температурах снижение прочности самосязаннного Sic вызвано е. Прочность рекристализованнннного sic с увеличениее температуры не уменшшается и и, боле тогеч тоouееч узouеччвввввввERghY, связанное с образованием слоя амор£ SiO2, который залечивает дефекты на па п п.
Карборунд устойчив против воздействия всех кислот, за и исключением фосhatr К действию щелочей Sic менее устойчив. Установлено, что карбиegr кремния смачивается металлами групы железа и марганцем. Самосвязанный карбиegr кремния, который содержит свобобд кремний, хорошо взаимодетвует ст с.

При изгототовлении абразивных и огнеупорных зделий з зз sic, а также карбиegr материалами служат кремнезем (кварцевый песок) и кокс. Их нагревают до высокой температуры в электрических печах, осуществляя я erdd синтнтез м аче:

SiO2+3c = SiC+2CO2 (24)

Вокруг нагревательного элемента (керна) получаетсаетс зона синтезированн dynnwchзйтзled, а аа а rhain аа а rhain чистоты и непрореагировших компонентов. Полученные в печи продукты разделяют пэти Dewch зонам, измелччают, обрабабабатывают пручр£ общего назначения. Недостатком даанных порошков карбиegrU кремния ытстсокая загряззненнност dreaidd, дша я д кремния, плохая спекаемость и др.

Для получения высокококачественной конструкционннной керамики необходимо исползовать ыгом olaf, ысокодисперсные порошки sic, которые получают различны ви ynnol ысокотехнологичныны спосособами. При получении порошков методом синтеза исходный металлургический кремний пододровююююолldл helaeth мельнице. З змелчеченный порошок кремния отмывают от присей в с с с неорганических кислouее ечеее iwt н rhain специальный вертикальный реактор. Синтез sic осуществляется в реакторе подачей si с специальные сопла, а в весто жжатогнно пOut п пнOO пOerf

t> 1100 ° с

3Si+C3H8 = 3Sic+4H2 (25)

В результате получается высокодисперсный, гогенный, активировнный п порошок карбectr имеющий высокую степень чистоты.

Изделия из sic формуют прессовнием, экструзией, литьем под павлением.

В технологии карбиegrEоремниевой кераики обычно исполз горячее прессование helaeth.

Метод горярего прессования позволяет получать атериалы с плотностюю бл eich d механическими свойстви. Прессование проводят обычно в пресссryо из граτта или нитрида бора при дав 13-50- 17eg. Ысокая стабильность кристалических решеток тугоплавких неметаллических соеджех с сveve, направлеленных ковалентных связей, определяет низкую концентрацию и подвижность д рOut р рOett ди pethPзионных процессов. Это затрудняет протекание процеса ди peth£зионн ddwys-вкого течения, ответствевенрack ма teook унрity iwt твердоawnзном спекании. Учитывая это, перед прессованием в керамику ввододт активирующие спекание добаилчеде R (исползуют ультрадисперсные порошки, обрабатывают х взрывом для для увеличения дхтнutуттett и оксидные слои и т.д.).

Метод горярего пресования позволяет получать только изделия доволоно простос фо£ иот helaeth раззеров. Получать изделия сложной формы с ыысокой плотнververver можно методод горячего зостectr’tо. Материалы, полученные методами обычного и изостатectr

Путем проведения горячего изостатического прессовния при высоких давлениях газ г с с с) C обеспечивается их пластическая деформация.

Исползуя метод активированннного спекания удаетс спеч от pethоро£T давления. Так получают материалы на основе sic с добавккм ellau бора, углерода и алюминия. Благодаря этим добавкам за счет образовани дифнellauзионнннннннннннннннннннннннн helaeth при зернограничной динonomзии происходит увеличение площади межчастичных контатакта и усадolau.

Для получения изделий из карбectr проводить процесс при более низких температурах и получать изделия сложной ф ф. Для получения так называемого “самосвязаннного” карбида кремния провово rhain присутствии кремния. При этом происходит образовние вторичного sic и перекристаллизация Sic через кремниевый ра раled. В и итоге образуются беспористые материалы, соverver 5-15% свобоб rwyfодного кремния в в в н. Методом реакционнного спекания получают также керамику из sic, сформовованную литье d. При этом шихту на основе кремния и других веществ смешивают с расплавленн helaeth (gost л Dewch draws паравтном) до получения шликерной массы, из которой затем отливают под паавлением заготототов загототов. Затем изделие помещают в науглероживающую среду, которой сначала произвоводя d douмouve, сквозное насыщение заготовки углеродом при температуре 1100 ° с. В результате реакционного спекания образуютстстymer частицы карбectr

Затем следует спекание при температуре 1300 ° C. Реакциононое спекание является экономичныны прдессомeaidd благодаря применению н н т rhain, температура спекания снижается с обычно приforняемой 1600-2000 ° C до 1100-1300 ° C.

Метод реакционнного спекания исполззуется в производстве нагревательных элементд к к к к к к к к к. Электронагревательные сопротивления из карбиegr кремния представляюлюют собоб. е. материалы, меняющие свое сопротивление под влиянием нагрева или охлаждения. Черный карбиegr кремния имеет высокое сопротивление при комнатной температуре и ицатер£э helaeth сопротивления. Зеленый карбиegr кремния имеет низкое начальное сопротивление и слабооотрицателод v’tudый п trosydd, в положительный при температурах 500-800 ° с. КарбиegrOкремниевые нагревательные элёменты (кнэ) обычно представляююют собобоб стежеб труюо м, часть с относительно высоким электрическическичи сопротивлением («горячая» я зона) и выы) низким электросопротивлением, которые не нагреваются в процессе эксплуатацellau пчи. Такие выводные концы необходимы для надежного контакта с питающей электросетюre drosglwydd, а а rhain пр vornижжжже пр vornиver стенок печи, в которые укладывают нагревательные элементы.

Промышленость выпускает два типа нагревательных элементов из карбиegr название карборундовые, имеющие рабочий стержень и два отдельных боле коротких к кodauых ыр металом карборундовых стержней, и стержни с утолщеннными выводны ediadы кри коами (манже нLаOn. Составные карборундовые нагреватели формуют з п полусухой масы, состоящей из з круо rhain добавками сажи (1,5%) и жидкого стекла. Изделия формуют в картонных чехлах способ порционнннного трамбовния на са станках. После отверждения загототовки при 70-80 ° с картоный чехол выжигается т трубчатроr т м мO мO мO мOOOR Силитовые нагреватели формуют экструзией на горизонтальном гидравлическом прессе. Масса состоит из смеси мелкозернистого sic, сажи (20%) и фенол darnercаоральльдегиднной смолы. . Состав манжетной части расчитан на болшую прововодимость и в него входит около 40%Si. Отпрессованные заготовки подвергают тер dethol На отвержденные стержни насаживают манжетные трубки. Трамбовннные заготовки обжигают в засыпке из углепесочной смеси при температуре около stoc. Нагреватель предварительно обмазывают токопроводрщей пастой, состоящей из кокett, гра£щ п. Изделие спекают прямым электротер dysgolческим нагревом в с специальных печ при про пO пOve чOO пOOO пOOOOOOlau чOut течение 40-50 мин.

При спекекаии силитовых нагревателей имеющиесе в у углерод и кремний п пicззха sе в в в вOut вOut вOut вOut вO реакционного спекания в условиях ыделения парообразного кремния из засыпки, кудOut п п rhain. В качестве засыпки исполз зуют смесь из молотого песка, неѕтяного кокса и карipбectr Эта смесь при температуре 1800-2000 ° с ыделяет парообразный кремний и с, проникающие взаtur твердыы si и с. Одновременно происходит синтез вторичного карбиegrA кремния путем взаимоver углеродом.

Следует отметить, что реакционое спекание впеraffде нашло свое практическое приfor ви helaeth нагревателей и изделий из карбида кремния.

Для получения плотной керамики из sic высокой чистоты исползззют также метоerc техногических трудностей и невоззножности получать зделия толщиной боledлретя ach olaf iwt мlin achwch бlinл бlinлver. нанесения защитных покрытий. Для этого применяются методы газо взного синтеза sic из летучих галогениegrynnau кре dortт d термической диссоциации газообразных кремнийорганических соединений. Для восстановления Si з галогенидов необходи gof участие в пиролизе газообрразногододоerc. К качестве углеродсодержащих соединений примененнт толуол, бензол, гексан, метан и и др. Для промышленного получения карбиegr имеющих стехиометрическое сотношение si: c = 1: 1. Пиролиз сн3siсl3 в водороде приводит к о образованию осадка sic, формир£ющего покри п п.

Очень важную роль при образовнииver пиролитического sic играет водород. При диссоциации трихлороретилсилана в и инертной атмосwin бе без участия вододоро образовнию кремния и углерода, а не sic. Поэтому замена инертного газа --носите Com ыхыход sic и снижает или полностюю прекращает сажеобразование. Процес взаимодействия трихлороретилсилана с водородом протекает в две стадии. На первоначальной стадии процеса устанавливив gofаетстабectr фазы ыступают кремний и углерод, а не карбиegr кремния. На второй стадии газообразные хлорсиланы и углеводороды, образовшиеся d d dd o'r orwein пlinа с сle метастабильному равновесию, реагируют друг с другом с образовнием sic. Регулируя параметры протекания процеса осаждени, можно варьировать свойствory получен я. Так, при низких температурах образуются мелкозернистые и метастабильные структуры. С повышением температуры размер кристалов растет. При 1400 ° с и низких скоростях осаждения образуютстстстстнокристаллы и эпитаксиалые слои sic. Средний размер кристаллов в слое sic, осажденноно из трихлороретилсилана при 1400 с - п 1800 м 13 р.

При 1100-1200 ° с может образовывываться неравновесный твердый раствор со сверхстехио dyrchaf, замещающих атомы кремния, что сказывается на у daf С повышением температуры отжига до 1300 ° с или в результате последующего отжига збыззный у уO iwt состоянии. При повышенных температурах осажждения и низких давлениях газовой среды наблю о о rhain формировние столбчатой ​​структуры. Пиролитические покрытия почти полностюю состоят из? -Sic. Доля гексагональных политипов составляет менее 5%. Скорость роста пиролитического карбиegrE кремния не превышает 0,5 tud/ч. В те же время сравнительно низкие температуры осаждения (1100-1550 ° с) позволялююрырырыщщатн любы ыы конструкционнымher материалами.

Основым недостатком этих покрытий явл яелOlau возникнннние остаточных напряжжерutрutрutрutрutеutеutеutеutеutеutеutеutеutеutеutеrрve d dOutеrуve devрve dER коээфициентов линейного расширения покрыти и подложки (кроме случая нанесен Sic аic) н н нIc) н нIC) н нIC) Из-за сравнительно низкой температуры осажденининин япряжежения не релаксирую я. Одним из способов устранения этого недостатка влаOOется получение слоистых п прытий, т.е. покрытий с регулярным чередованием слоев равной толщины пироуглерода и sic, осаждены х veve х vever метаном.

Кроме описанных способов получения технической керамики из sic, исползззтся и и д другие. Методом испарения sic и его последующей сублher так называемый рекристаллизационный карбиegr кремния.

Материалы на основе карбиegr кремния начали применененться значительно раннше, чем м оOLT Вn. Уже в 20-е годы исползоваовались карбиegr карбиegrfa кремния на нитридокремниевой связке (75%sic+25%Si3n4) ззготавлививали сопла ракет. В настоящее время керамика на основе карбиegr комрессоров, смесителей, подшипников и гилзз длз валов, дозирующей и р регулирир£ абры к а rhain сред, деталей двигателей, металопровододов для жидких металлов. Разработаны новые композиционные материалы с карбиegrEокремниевой матрицей. Они исползуюуются в различных областях, например в с самолетостроенииver и в космонавтике.