خصائص كربيد السيليكون

نادرًا ما يوجد كربيد السيليكون (SiC)، المعروف أيضًا باسم رمل الكاربورندوم، في الطبيعة ويشيع استخدامه كمادة خام اصطناعية في الصناعة. يكتسب خصائص ممتازة للمقاومة الحرارية ومقاومة التآكل. وله شكلان بلوريان: الشكل ذو درجة الحرارة المنخفضة β- SiC، الذي ينتمي إلى البنية المكعبة، والشكل ذو درجة الحرارة المرتفعة α- SiC الذي ينتمي إلى البنية السداسية. كربيد السيليكون له نوعان حسب اللون: كربيد السيليكون الأخضر وكربيد السيليكون الأسود.

كثافته الحقيقية هي 3.21 جم/سم 3، ودرجة حرارة التحلل (التسامي) هي 2600 درجة مئوية.
إنها مادة صلبة ذات صلابة موس 9.2.
معامل التمدد الحراري لـ SiC ليس كبيرًا، ومتوسط ​​معامل التمدد الحراري لـ SiC هو 4.4 في نطاق 25 ℃ ~ 1400 ℃ × 10-6 / ℃.

أداء كربيد السيليكون

يتمتع كربيد السيليكون بموصلية حرارية عالية (58.6 واط/م · ك). عادة، كلما زاد محتوى SiC، انخفضت درجة الحرارة، وزادت الموصلية الحرارية. معامل التمدد الحراري المنخفض والتوصيل الحراري العالي يمكن أن يجعل المواد المقاومة للحرارة من SiC تتمتع بثبات جيد للصدمات الحرارية.
في درجات الحرارة المنخفضة، تكون الخواص الكيميائية لكربيد السيليكون مستقرة نسبيًا، مع مقاومة ممتازة للتآكل والتآكل. كما أنه مقاوم للتآكل في غليان حمض الهيدروكلوريك وحمض الكبريتيك وحمض الهيدروفلوريك. ومع ذلك، عند درجات الحرارة المرتفعة، يمكن أن يتفاعل مع بعض المعادن والأملاح والغازات. يظل كربيد السيليكون مستقرًا في جو مختزل حتى درجة حرارة 2600 درجة مئوية، لكن الأكسدة تحدث في جو مؤكسد عالي الحرارة:

SiC+2O2 → SiO2+CO2

بالإضافة إلى ذلك، فإن مادة كربيد السيليكون عبارة عن مادة غير أكسيدية ذات رابطة تساهمية قوية وقدرة تلبيد ضعيفة مع الأكاسيد.
يستخدم SiC على نطاق واسع كمادة مضافة لتحسين خصائص المواد، وخاصة مقاومة الخبث واستقرار الصدمات الحرارية، نظرًا لمزاياه مثل معامل التمدد الحراري المنخفض، والتوصيل الحراري العالي، وقوة درجات الحرارة العالية العالية، ومقاومة الخبث الجيدة، والقدرة على التشكيل الأكسدة الواقية.

استخدامات مادة كربيد السيليكون:

كربيد السيليكون (SiC) في المواد المقاومة للحرارة

في المواد المقاومة للحرارة المشكلة، يمكن استخدام كربيد السيليكون كمكون رئيسي لصنع منتجات كربيد السيليكون أو كمادة مضافة لصنع منتجات شبه كربيد السيليكون.
تشير المواد المقاومة للحرارة من SiC إلى نوع من المواد المقاومة للحرارة المتقدمة مع SiC كمكون رئيسي، والتي يتم إطلاقها من SiC الصناعي كمواد خام، والمعروفة أيضًا بمنتجات SiC. يمكن تصنيف منتجات SiC بناءً على محتوى SiC ونوع الرابط وكمية الإضافة. يعتمد أداء المواد إلى حد كبير على حالة الترابط بين جزيئات SiC في المادة. لذلك عادة ما يتم تصنيف منتجات SiC بناءً على نوع مرحلة الترابط. وفقًا لمراحل الربط المختلفة، هناك سيراميك كربيد السيليكون مثل SiC المرتبط بأكسيد، وSiC المرتبط بالنيتريد، وSiC المرتبط ذاتيًا، وتفاعل تسلل السيليكون الملبد، وما إلى ذلك.
المنتجات الحرارية شبه SiC هي تلك التي تحتوي على كربيد السيليكون كمادة ثانوية. أو مكون مساعد وفقًا لموادها المختلفة، هناك منتجات طين الكلنكر SiC، ومنتجات كربيد أكسيد الألومنيوم العالي، ومنتجات اكسيد الالمونيوم SiC. نظرًا لوجود كربيد السيليكون في هذه المنتجات، فقد تم تحسين استقرار الصدمات الحرارية والتوصيل الحراري والقوة بشكل كبير.

إن إضافة كمية صغيرة من كربيد السيليكون إلى منتجات طين الكلنكر SiC له تأثير كبير على تحسين ثبات الصدمات الحرارية للمنتجات. مع زيادة محتوى مسحوق SiC الناعم في المكونات، يتحسن استقرار الصدمة الحرارية للمنتجات تدريجيًا. بإضافة كمية مناسبة من SiC (الكمية الأنسب هي 30%) إلى منتجات SiC عالية الألومنيوم، وإضافة كمية مناسبة من حمض الفوسفوريك، تتمتع المنتجات بثبات عالي للصدمات الحرارية، وموصلية حرارية جيدة، وقوة عالية. إن إضافة كمية صغيرة من مسحوق SiC الناعم إلى منتجات اكسيد الالمونيوم SiC يمكن أن يحسن بشكل كبير من استقرار الصدمات الحرارية. مع زيادة كمية مسحوق SiC الناعم، يزداد استقرار الصدمة الحرارية بانتظام. على سبيل المثال، باستخدام اكسيد الالمونيوم البني كركام، وإضافة 10٪ مسحوق ناعم من كربيد السيليكون، واستخدام حمض الفوسفوريك كمادة رابطة، والتشكيل بالضغط العالي، والمعالجة الحرارية عند 1450 درجة مئوية لإنتاج طوب السكك الحديدية المنزلقة لأفران تسخين درفلة الفولاذ، يكون تأثير التطبيق هو جيد.

كربيد السيليكون (SiC) في المواد المقاومة للحرارة غير المتبلورة

في المواد المقاومة للحرارة غير المتبلورة، يمكن استخدام كربيد السيليكون كمكون رئيسي لصنع المسبوكات المعتمدة على كربيد السيليكون. يعمل كمادة مضافة لتحسين أداء المسبوكات الأخرى، خاصة فيما يتعلق بمقاومة الخبث واستقرار الصدمات الحرارية. يركز البحث حول تحسين خصائص الصب بواسطة SiC بشكل أساسي على جوانب مثل اكسيد الالمونيوم والمسبوكات عالية الألومينا.
التطبيق الأكثر شيوعًا لـ SiC في المواد المقاومة للحرارة غير المتبلورة هو بطانة العمل لقناة التنصت على الفرن العالي، والتي لها تاريخ لأكثر من 20 عامًا وتتمتع بأداء جيد. في الوقت الحاضر، يتم استخدام مادة Al2O3-SiC-C القابلة للصب على نطاق واسع في الأفران الكبيرة محليًا ودوليًا، مما يؤدي إلى إطالة عمر خدمة القناة الحديدية بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم المواد المقاومة للحرارة غير المتبلورة التي تحتوي على كربيد السيليكون على نطاق واسع في صناعة الحديد والصلب كبطانات للمعالجة المسبقة للمعادن الساخنة، والقبة، وأفران الحث؛ بطانة الجدار الجانبي لغرفة الاحتراق والبطانة الواقية لأنبوب الغلاية في محرقة القمامة؛ بطانة فرن الأسمنت في صناعة الأسمنت؛ بطانة فاصل الأعاصير لمحطات الطاقة الحرارية، وغرفة الاحتراق، والبطانة، وفاصل درجة الحرارة العالية لغلايات القاعدة المميعة المتداولة؛ ألواح سقيفة فرن الحرق، وكذلك منافذ السيليكون والألومنيوم في صناعة السيراميك.

باختصار، يمكن أن تؤدي إضافة SiC إلى تحسين قوة درجات الحرارة العالية واستقرار الصدمة الحرارية للمسبوكات المعتمدة على Al2O3-SiO2. ومع ذلك، لم يتم حتى الآن الإبلاغ عن الأبحاث حول مقاومة كربيد السيليكون لتآكل خبث الرصاص.
لكن كربيد السيليكون سهل التفاعل من الناحية الديناميكية الحرارية مع الأكسجين الموجود في الهواء. في التطبيقات العملية، خاصة في ظل درجات الحرارة المرتفعة، وانخفاض ضغط الأكسجين، والتأثيرات طويلة المدى، يكون معدل أكسدة SiC سريعًا جدًا.

من خلال دراسة البنية المجهرية لطبقة الأكسدة ذات درجة الحرارة العالية على سطح SiC، وجد أن طبقة الأكسدة الناتجة عن مواد SiC في نطاق 1040 ~ 1560 درجة مئوية لها الخصائص التالية فيما يتعلق بمقاومة الأكسدة لدرجة الحرارة العالية:

1) أقل من 1360 درجة مئوية، تكون طبقة الأكسدة المتكونة على سطح جزيئات SiC رقيقة جدًا. لا توجد تغييرات كبيرة في البنية المجهرية. مقاومة الأكسدة جيدة وهي في مرحلة مستقرة من مقاومة الأكسدة.

2) عندما تتجاوز درجة الحرارة 1360 درجة مئوية، فإن سمك طبقة الأكسيد على سطح SiC يزداد بشكل ملحوظ مع زيادة درجة الحرارة. تحتوي طبقة الأكسيد المتكونة على العديد من المسام. ومع ذلك، نظرًا للزيادة التدريجية لطبقة الأكسيد، لا يزال SiC يُظهر أداءً عاليًا بما فيه الكفاية كمضاد للأكسدة. هذه العملية هي مرحلة انتقالية.

3) أعلى من 1520 درجة مئوية، يكون سمك طبقة الأكسيد أكبر والسطح الخارجي مسطح نسبيًا. ومع ذلك، يتمتع SiO2 في الحالة المنصهرة بقابلية سيولة قوية، مما يجعل طبقة الأكسدة عند حواف وزوايا جزيئات SiC أرق. يكون الغاز الناتج عن تفاعل أكسدة SiC عرضة للهروب وتكوين المسام. وهذا يوفر قناة لدخول الأكسجين، مما يسرع معدل أكسدة SiC. هذه المرحلة هي مرحلة الأكسدة السريعة.

4) لا توجد منطقة انتقالية واضحة بين طبقة SiO2 المتكونة على السطح ومصفوفة SiC.