Карбид кремния (карборунд) SiC яавляется единственным соединением кремния ва углерода. В природе этот материал встречаться крайне редко. Карбид кремния существует в дух модификациях, аз ?-модификатсия сохта шудааст политипной ва представляет собой сложную сохтори гексагональной формы. Установлено около 20 структур, относящихся к гексагональной формаи карборунда. Переход ?-SiC>?-SiC происходит намунаи 2100°С. Дар ҳарорати 2400°С ин пешравӣ происходит весьма зуд. До ҳарорати 1950-2000°С тағйир додани кубическая модификация, при более высокой температурае образуются гексагональные модификация. Принсипҳои ҳароратих 2600-2700°С карбид кремния возгоняется. Кристаллӣ карбида кремния метавонад як бессветными, зелеными ва черными. Чистый карбид кремния стехиометрического состава бесцветен. При превышении содержания кремния SiC становится зеленым, углерода – черным.
Карборунд имеет очень высокую твердость: H? то 45ГПа, дастрасии изокую изофӣ: ?изг то 700МПа. Карбидокремниевая керамика сохраняет намунавӣ ба ҳарорати баланд: ҳарорати пеш аз хрупкопластическому разрушению аз хрупкого к хрупкопластическому разрушению барои нее 2000°С. В то же время барои самосвязанного SiC наблюдается падение прочности бо ҳарорати баланд. При комнатной температурае разрушение самосвязанного SiC транскристаллитное ва носит характер скола. Барои 1050°С характер разрушения становится межкристаллитным. Наблюдающееся при высоких ҳароратих снижение прочности самосвязанного SiC аз ҷониби худ окислением. Прочность рекристаллизованного SiC с увеличением ҳарорати не уменьшается и, более того, возможно ее увеличение, связанное бо образованием слоя аморфного SiO2, который залечивает дефекты на поверхности и во слояти изданутренних.
Карборунд устойчив против воздействия всех кислот, за исключением фосфорной и смеси азотной и плавиковой. К действию щелочей SiC менее устойчив. Установлено, что карбид кремния смачивается металлами группы железа и марганцем. Самосвязанный карбид кремния, который содержит свободный кремний, хорошо взаимодействует бо сталью.
При изготовлении абразивных ва огнеупорных изделий аз SiC, инчунин карбидокремниевых электронагревателей, исходными материалами служат кремнезем (кварцевый песок) ва кокс. Их нагревают до высокой температураы в электрических печах, осуществляя синтез методом Ачесона:
SiO2+3C=SiC+2CO2 (24)
Вокруг нагревательного элемента (керна) получается зона синтезированной продукта, а за ней – зоны кристаллов низкой чистоты ва непрореагировавших компонентов. Полученные в печи продукты разделяют по этим зонам, измельчают, обработать ва получают порошок карбида кремния общего назначения. Недостатком данных порошков карбида кремния являются высокая загрязненность примесями, большое содержание диоксида кремния, плохая спекаемость ва др.
Барои истифода бурдани конструксияи керамики необходимо истифода бурда мешавад, гомогенные, высокодисперсные порошки SiC, которые получают различными высокотехнологичными способами. При получении порошков методом синтеза исходный металлургический кремний подвергают дроблению ва помолу в валковой мельнице. Измельченный порошок кремния отмывают аз примесей в смеси неорганических кислот ва направляют дар тонкое измельчение дар реактори махсуси вертикальӣ. Синтез SiC осуществляется дар реакторе подачей Si дар махсус сопла, а вместо сжатого воздуха подается пропан:
т>1100°С
3Si+C3H8=3SiC+4H2 (25)
Дар натиљаи имеющий высокодисперсный, гомогенный, активированный порошок карбида кремний монофракционного состава, имеющий высокую степень чистоты.
Изделия аз SiC формулаҳои прессованием, экструзией, литьем под давлением.
Технологияи карбидокремниевой керамики ба таври васеъ истифода бурда мешавад, ки фишори баланд, реаксия ва фаъол карда мешавад.
Методи горячего прессования позволяет материалхои плотнистй ва теоретикй ва ба таври васеъ механико-нидашуда. Прессование проводят обычно дар прессформах аз графита ё нитрида бо давлениях 10-50МПа ва харорат 1700-2000°С. Высокая стабильность кристаллических решеток тугоплавких неметаллических соединений, связанная с наличием жестких направленных ковалентных связей, определяет камкую қонеъгардонӣ ва паст кардани дефектов решетки, заторможенность протсессения. Ин протекание протсессори диффузионно-вязкого техения, ҷавобгарӣ барои массоперенос и уплотнение при твердофазном спекании. Учитывая это, перед прессованием в керамику вводят активирующие спекание добавки ё проводят физическое активирование (исползуют ултрарадисперсные порошки, обрабатывают взривом в увеличения дефектности, обработать выдерживаются).
Методи горячего прессования позволяет получать только изделия довольно простой формы ва относительно неболиших размеров. Получать изделия сложной формы с высокой плотностью мумкин аст усулҳои изофии прессования. Материалы, полученные методами обычного ва изостатического горячего прессования, близки по своим свойствам.
Путем проведения горячего изостатического прессования барои баланд бардоштани сатҳи баланди газовой (1000МПа), препятствующих диссоциации тугоплавких неметаллических соединений, удается повысить проводителями соединений.
Используя метод активированного спекания удается спечь отформованные изделия аз SiC то плотности 90% бе қабули давления. Так материалхо дар асоси SiC с добавками бора, углерода и алюминия. Благодаря этим добавкам за счет образования диффузионного слоя на поверхности частиц, их консолидации и укрупнения при зернограничной диффузии происходит увеличение площади межчастичных контактов ва усадка.
Для получения из карбида кремния инчунин широко используется методи реакционного спекания, который позволяет проводить процесс при более азких температурах ва получать изделия сложной формы. Для получения так называемого "самосвязанного" карбида кремния проводят спекание прессовок аз SiC ва углерода дар присутствии кремния. Принсипи происходит образование вторичного SiC ва перекристаллизация SiC через кремниевый расплав. Дар он масолехи бепоён ташкил карда, 5—15 фоизи свободни кремни дар карбидокремниевой матритса дода мешавад. Методом реакционного спекания инчунин керамику аз SiC, сформованную литьем под давлениемро истифода мебаранд. Барои ин ки дар асоси кремния ва дигар веществҳо истифода бурда мешавад, аз ҷониби мақомоти ваколатдори давлатӣ ( парафином ) ба даст овардани шликерной масси, аз он чизе, ки аз зери давлением заготовку истифода мешавад. Затем изделие помещают в науглероживающую среду, в которой сначала производят отгонку легкоплавкого связующего, а затем сквозное насыщение заготовки углеродом дар ҳарорати 1100°С. Дар натиҷа реаксияҳои спекания ташаккул меёбанд, ки карбида кремнияро ташкил медиҳанд.
Затем следует спекание при температурае 1300°C. Реакционное спекание процесси иктисодии иктисодиро ба таври васеъ истифода мебарад, харорати харорат аз 1600-2000°С то 1100-1300°С.
Методи реаксияи спекания дар истеҳсоли нагревательных элементҳо аз карбида кремния истифода мешавад. Электронагревательные сопротивления аз карбида кремния представляют собой так называемые термисторий, т. е. материалы, меняющие свое сопротивление под влиянием нагрева ё охлаждения. Черный карбид кремния имеет высокое сопротивление при комнатной температурае ва отрицательный температураный коэффициент сопротивления. Зеленый карбид кремния имеет низкое начальное сопротивление ва слабоотрицательный харорати коэффициент, переходящий дар положительный барои харорати 500-800°С. Карбидокремниевые нагревательные элёменты (КНЭ) обычно представляют собой стержен ё трубку, имеющюю среднюю кори часть с относительно высоким электрическим сопротивлением («горячая» зона). йе не нагревются в процессе эксплуатации печи. Такие выводные концы необходимы барои надежного контакта с питающей электросетью, ва инчунин барои предохранения аз разрушения стенок печи, дар которые укладывают нагревательные элементи.
Промышленность выпускает два типа нагревательных элементов аз карбида кремния: составные нагреватели, получившие название карборундовые, имеющие рабочий стержень ва два отделных более коротких контактных вывода вывода металлургия щенными выводными концами (манжетами) – силитовые нагреватели. Составные карборундовые нагреватели формуют аз полусухой масси, состоящей аз крупнозернистого порошка зеленого SiC бо добавками сажи (1,5%) ва жидкого стекла. Изделия формуют в картонных чехлах способом порционного трамбования на станках. После отверждения заготовки при 70-80°С картонный чехол выжигается в трубчатой электропечи барои харорати 800-850°С. Силитовые нагреватели формуют экструзией дар горизонтальном гидравлическом прессе. Масса состоит из смеси мелкозернистого SiC, сажи (20%) ва фенолформальдегидной смола. Формуются раздельно рабочая часть и манжеты. Состав манжетной части рассчитан на большюю проводимость и в него входит около 40%Si. Отпрессованные заготовки подвергают термическому отверждению, ки дар натиљаи он ки смола полимеризуется. На отвержденные стержни насаживают манжетные трубки. Трамбованные заготовки обжигают дар засыпке аз углепесочной смеси дар ҳарорати около 2000°С. Нагреватель предварительно обмазывают токопроводящей пастой, состоящей аз кокса, графита ва кварцевого песка. Изделие спекают прямым электротермическими нагревом дар печи махсус барои истеҳсоли через заготовку тока дар 80-100А дар технология 40-50 мин.
При спекании силитовых нагревателей имеющиеся дар массе углерод ва кремний превращаются во «вторичный» SiC дар механизму реактсияи махсус дар истифодаи захираҳои обкашӣ аз таъмири кремния, ки дар он истифода мешавад. В качестве засыпки используют смесь аз молотого песка, нефтяного кокса ва карбида кремния. Эта смеси при температурае 1800-2000°С выделяет паробразный кремний ва СО, проникающие внутрь заготовки ва реагирующие с твердыми Si и С. Одновременно происходит синтез вторичного карбида кремния путем взаимодействия кремния, содержащегося в шихте, с углеродом.
Следует отметить, что реакционное спекание впервые нашло свое практическое применение именно дар производстве нагревателей ва изделий аз карбида кремния.
Барои коркарди плотной керамики аз SiC истифода бурда мешавад, инчунин усулҳои асоснок кардани гази фазӣ, вале аз технологияҳои техникӣ ва невозможности пур кардани ҷустуҷӯи пурраи миллиметрҳо дар он истифода мешаванд. Бо ин усул усулҳои газофазного синтези SiC аз летучих галогенидов кремния ва углеводородов ё метод термической диссоциации газообразных кремнийорганических соединений. Для восстановления Si из галогенидов необходимо участие в пиролизе газообразного водорода. Дар качестве углеродсодержащих соединений қабул мекунанд толуол, бензол, гексан, метан ва ғайра. Барои коркарди карбидокремниевых покрытий бое удобен метод термической диссоциации метилхлорсиланов, имеющих стехиометрическое соотношение Si:C=1:1. Пиролиз СН3SiСl3 в водороде приводит к образованию осадка SiC, формирующего покрытие барои харорат то 1400°С.
Очень важную роль при образовании пиролитического SiC играет водород. Принсипҳои диссоциации трихлорметилсилана дар инертной атмосфера бе участия водорода реаксияҳоро пеш мебаранд, қабули кремния ва углерода, а не SiC. Поэтому замена инертного газа-носителя на водород при термическом разложении метилхлорсиланов значительно повышает выход SiC и снижает е полностью прекращает сажеобразование. Процесс взаимодействия трихлорметилсилана с водородом протекает дар ду стадии. Дар первоначальной стадии процесса устанавливается нестабильное равновесие, при котором в качестве конденсированной фази выступают кремний ва углерод, а не карбид кремния. Дар второй стадии газообразные хлорсиланы ва углеводороды, образовавшиеся на первой стадии в концентрациях, отвечающих метастабилному равновесию, реагируют друг с другом с образованием SiC. Регулируя параметры протекания процесса осаждения, мумкин аст варьировать свойствами полученных покрытий. Так, ки дар баробари хароратхои мелкозернистй ва сохти метастабильхо ташаккул меёбад. С повышением ҳарорати размер кристаллов растет. При 1400°С ва низких скоростях осаждения образуются монокристалли ва эпитаксиальные слой SiC. Средний размер кристаллов дар слое SiC, осажденном аз трихлорметилсилана барои 1400°С, равен 1мкм, а дар 1800°С – 15мкм.
При 1100-1200°С метавонад образовиваться неравновесный твердий раствор бо сверхстехиометрическим содержанием атомов углерода, замещающих атомы кремния, ки дар уменьшении параметра решетки SiC. С повышением ҳарорати отжига то 1300°С ё дар натиҷа дар свободном дар маҳаллаи худуглерод выделяется. При повышенных ҳароратих осаждения ва низких давлениях газовой среды наблюдается ориентированный рост кристаллов ва формирование столбчатой структуры. Пиролитические покрытия почти пурра состоят аз ?-SiC. Доля гексагональных политипов составляет менее 5%. Скорость роста пиролитического карбида кремния не пеш аз 0,5мм/ч. В то же время сравнительно низкие ҳарорати осаждения (1100-1550°С) позволяют совмещать карбидокремниевые покрытия бо любыми конструкционными материалами.
Основным недостатком этих покрытий является возникновение остаточных напряжений, вызванное несоответствием ҳароратиних коэффициентов линейного расширения покрытия ва подложки (кроме случая нанесения SiC на SiC) ва анизотропии покрытия. Из-за сравнительно низкой ҳарорати осаждения напряжения не релаксируются ва покрытия растрескиваются. Одним из способов устранения ин недостатка является получение слоистых покрытий, т.б. покрытий с регулярным чередованием слоев равной толщины пироуглерода ва SiC, осажденным аз смеси хлорметилсилана с метаном.
Кроме описанных способов получения технической керамики аз SiC, используются ва дигар. Методом истифодабарии SiC ва его пас аз сублиматсияи 2100-2300°С бе истифодабарии связок ва фаъол кардани добавок инчунин аз рекристаллизатсияи карбиди кремнияро истифода мебаранд.
Материалы дар асоси карбида кремния начали истифода бурда мешавад, чем материалхо дар асоси Si3N4, AlN, V4S ва ВN. Уже дар 20-сола истифода бурда мешавад карбидокремниевые огнеупоры дар связке аз диоксида кремния (90%SiC+10%SiO2), а дар 50-сола аз карбида кремния дар нитридокремниевой связке (75%SiC+24% аз равал). В настоящее время керамика дар асоси карбида кремния применяется барои баровардани колец барои насосов, компрессоров, смесителей, подшипников ва гильз барои валов, дозирующей ва регулирующей арматурҳо барои вайрон кардани абрҳо, регулирующей арматурҳо жидких металлов. Разработани материалхои нав бо карбидокремниевой матрицей. Он дар минтақаҳои гуногун, масалан дар самолетостроениӣ ва дар космонавтике истифода мешавад.
Вақти фиристодан: 22-август-2018