Карбид кремния как конструкционный материал

Содержание

Введение………………………………………………………………………………….3

1. получение и свойства карбида кремния……………………………………………

2. политипы карбида кремния…………………………………………………………

3. Карбид кремния как конструкционный материал……………………………….

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В современном мире, керамика очень расширила свой спектр использования. Она из строительного материала и материала хозяйственно-бытового назначения превратилась в конструкционный материал. Ее стали применять в электронике, электротехнике, машиностроении, где прочность и стойкость к хрупкому разрушению выделяются как основные свойства материала. Начали изучать ее свойства более глобально, и с каждым годом получалось достичь все более хороших результатов, более высоких показателей. Например, прочность керамики за последние 80 лет увеличилась примерно в 3-5 раз.

Интерес к керамике, как к конструкционному материалу вырос и объясняется это не только тем, что прочность при изгибе ее достигла у лучших образцов 1500 МПа [1], но и тем, что она характеризуется высокой износостойкостью, твердостью, огнеупорностью, коррозионной стойкостью, малой плотностью и недифицитностью сырья.

 

(тут схема прочности достигнутые  в 20 веке Власов стр 4)

 

Кроме всего этого, рассматривая область керамического материаловедения, следует отметить, что керамика характеризуется совокупностью уникальных физико-технических свойств, которыми не обладает практически ни один класс материалов. Многие специалисты внесли свой вклад в развитие этой области, например Мэттьюз Ф., Ролингс Р [2], по мнению которых, конструкционная керамика вытесняет ряд металлов и сплавов аналогичного назначения[2].

Но получение новых типов высококачественных керамических изделий затруднено. Так как очень сложно получить низкодисперсные порошки, чего требует современная технология. Используют различные методы измельчения, такие как, помол в шаровых и вибрационных мельницах, в последних основным достоинством является время достижения столь малых частичек, оно в 10 раз быстрее[3]. С помощью такого измельчения частицы могут достигать размеров в 1-2 мкм, что  является не достаточным, потому что при таких размерах минимальная пористость достигнет в образцах порядка 16%.

Новые подходы к технологии получения упрочняющих компонентов, принципам выбора и типам спекающих добавок, а также совершенствование методов подготовки порошков и режимов термообработки позволяет значительно повысить физико-химические показатели подобных материалов.

Как уже было выше сказано, область использования керамики постоянно расширяется, особенно технической. Среди применяемых в качестве конструкционных керамических материалов большой интерес представляет карбид кремния (SiC). Полагают, что SiC найдет применение в машиностроении при высоких температурах, с учетом его значительной твердости и хороших теплофизических характеристик.  Технология спекания высококачественных изделий из SiC еще не получила широкого распространения. Следствием этого является отсутствие разработанных технических условий для исходных порошков, о которых уже тоже упоминалось. Поэтому продолжаются поиски новых технологий производства порошков для формования изделий из спеченного высокоплотного SiC. Возможно, что вследствие развития технологии тонкого измельчения, порошки SiC для абразивных и огнеупорных материалов будут применяться и как исходное сырье при спекании в карбидокремниевые изделия.

Для использования порошков SiC при получении компактных изделий необходимо, чтобы SiC находился в α-модификаци. Определению этих условий посвящена настоящая работа. Для этого выполнены исследования по синтезу SiC из элементных кремния и углерода при температурах 900, 1000, 1300 и 1600°С и выбраны оптимальные условия проведения процесса. Предложена принципиально новая технология производства керамических порошков SiC, полностью удовлетворяющая требованиям и фазовому составу.

В результате получают высококачественный гомогенный,  механически активированный порошок SiC монофракционного состава, имеющий высокую степень чистоты. Частицы такого порошка имеют равноосную форму и обладают высокой активностью к спеканию. Необходимо отметить, что в ходе осуществления каждого из процессов не происходит образования и загрязнения окружающей среды газообразными, жидкими и твердыми отходами производства.

Предложенная технология является экологически чистой и экономически конкурентоспособна по сравнению с традиционными процессами синтеза конструкционных керамических материалов[4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Получение и свойства карбида кремния

 

Для того, чтобы изготовить прочные керамические материалы, необходимо, чтобы были очень прочные химические связи. Прочные химические связи получаются в том случае, если кристаллическая решетка характеризуется вещества с ковалентными или ионными сильно поляризованными связями. В составе таких веществ должны быть легкие элементы с малыми ионными радиусами и большим числом ионных связей (более двух). Наилучшие результаты в области прочных связей получили следующие элементы: азот, алюминий, бериллий, бор, кислород, кремний, углерод.

В особую группу можно выделить бескислородные керамические материалы, которые состоят из соединений неметаллов с углеродом и азотом, они обладают ионно-ковалентной химической связью, а так же очень ценными свойствами – высокой температурой плавления и твердостью. Для изготовления высокотемпературных керамических материалов пригодны карбид и нитрид кремния, в меньшей мере нитрид алюминия, а также сложные материалы, в состав которых входят кремний, алюминий, азот и кислород. В карбиде кремния, как показали расчеты, 78% общей энергии связи Si-C относится к чисто ковалентному состоянию, 3% и 9% соответственно для электронов, находящихся на атоме кремния и углерода, а 10% относят на долю смешанных состояний [1].

Керамика на основе карбида кремния (SiC) обладает высокой механической прочностью при высоких температурах и износостойкостью, низким коэффициентом термического расширения, высоким сопротивлением окислению при температурах до 1500°С, высокой химической инертностью, биосовместимостью, коррозионной стойкостью, устойчивостью к радиационным воздействиям, высокой твердостью и теплопроводностью [1–3]. Благодаря уникальному сочетанию физико-химических свойств SiC керамика широко востребована в машиностроении, атомной энергетике, на предприятиях оборонной, металлургической, пищевой, химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленностей.

(Матод Ачесона)

 

Керамику из карбида кремния получают методом порошковой металлургии на различных связках (кремнеземистой, глиноземистой, карбидкремниевой). Обычно технология включает в себя следующие операции: дозирование порошков заданного гранулометрического состава, смешивание со спекающими добавками, увлажнителем и выгорающей добавкой, грануляцию шихты, прессование, сушку и обжиг полученных изделий. Спекание изделий из карбида кремния зависит от физико-химической природы связок. Без связок карбид кремния спекается при температуре 1950 - 2100 °С. Уплотнение материалов ускоряется при приложении давления в процессе спекания. Карбид кремния не образует жидкой фазы при обычных температурах спекания, и при горячем прессовании уплотнение осуществляется в основном за счет перемещения частиц и незначительной пластической деформации. Известно, что при давлении до 60 МПа и температурах ниже 2300 °С из чистого карбида кремния можно получить керамику с плотностью не выше 2700 кг/м; и пористостью не менее 16 %, что не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к конструкционной керамике. Интенсификации спекания карбида кремния при горячем прессовании достигают путем применения добавок, образующих жидкие фазы, смачивающие карбид кремния, что облегчает процесс перемещения относительно друг друга частиц тугоплавкого наполнителя[5].

Выпускается два вида карбида кремния – зеленый и черный. В зеленом, как правило, имеется более высокое содержание свободного кремния, а в черном - свободного углерода. Свободный кремний обнаруживается, как правило, внутри кристаллов  SiC и реже на поверхности. Химически чистый карбид кремния бесцветен,  а технический окрашен в различные цвета от черного до зеленого и отличается металлическим блеском. Зеленый карбид кремния считается более чистым, чем черный [6]. Основные физико-механические свойства SiC приведены в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1

Физико-механические свойства карбида кремния [7].

Характеристика	Материал
	Твердофазноспекшийся карбид кремния	Жидкофазноспекшийся карбид кремния
плотность, г/см³	3,12 - 3,17	3,21 - 3,25
микроструктура
предел прочности при изгибе, МПа	350 – 450	500 - 550
модуль Юнга, ГПа	390 – 420	400 - 430
твердость по Виккерсу, ГПа	23 – 28	22 - 25
трещиностойкость,  МПа×м½	3,0 - 4,0	4,0 - 5,0
коэффициент теплопроводности,   Вт×м-1×К-1	90 – 130	70 - 90
коэффициент термического расширения,   10-6×К-1	4,0 - 4,5	5,0 - 5,5

 

Карбид кремния обладает высокой химической стойкостью. При комнатной

температуре не взаимодействует с кислотами и растворами щелочей. При 200-250°С взаимодействует с H3PO4 SiC взаимодействует с фтором, а выше 600°С - с хлором. Реагирует с расплавами гидроксидов, карбонатов, сульфидов щелочных металлов. В окислительной атмосфере керамика может служить до 1500 – 1650°С. Образующаяся на поверхности пленка SiO2 замедляет дальнейшее окисление.

К настоящему времени открыто 200 кристаллических форм SiC. Политипизм впервые был обнаружен в 1912 г. Баумгауэром в монокристаллах SiC. Среди политипных модификаций карбида кремния выделяют фазы, имеющие кубическую кристаллическую структуру – β-SiC (или 3С-SiC), а также фазы, имеющие гексагональную и ромбоэдрическую α-SiC-структуру (например, 2H-SiC, 4H-SiС, 6H-SiC и nН-SiC, 15 R, 21 R и др.). Основные структурные отличия политипов определяются порядком чередования и периодом повторяемости слоев в направлении кристаллографической оси Z, типом примитивной элементарной ячейки, а также степенью гексагональности [8]. Подробнее политипы карбида кремния будут рассмотрены ниже.

(Параметры основных политипов SiC)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Политипы карбида кремния

В современной физике конденсированного состояния уделяют очень большое внимание исследованию закономерностей формирования аллотропных и политипных структурных разновидностей кристаллических фаз. Основными параметрами термодинамической устойчивости различных политипных фаз является температура, давление и концентрация примесей. Проведено много экспериментальных и теоретических исследований [8] кристаллов карбида кремния, в ходе которых установили, что SiC может иметь различную кристаллическую структуру - кубическую β-SiC (3С-SiC), стабильную до приблизительно 2000°С, а также гексагональную и ромбоэдрическую α-SiC-структуру (2H-SiC, 4H-SiС, 6H-SiC и nН-SiC, 15 R, 21 R и др.), стабильную при более высоких температурах.

Разнообразные структуры карбидкремниевых фаз традиционно классифицируют, как ряд различных политипных разновидностей. Все известные на сегодняшний день политипные модификации состоят из чередующихся специфическим образом слоёв с кубическим или гексагональным окружением; позиции атомов кремния и углерода кристаллографически эквивалентны, а углы между связями близки к 109,5°. Структурные отличия политипов определяются только порядком чередования и периодом повторяемости слоёв в направлении кристаллографической оси Z, типом примитивной элементарной ячейки, а также степенью гексагональности. Степень гексагональности определяется, как отношение числа гексагональных слоёв (т. е. слоёв, окружённых одноимёнными слоями) к общему числу слоёв в элементарной ячейке, выраженное в процентах 
[9].

В последние годы предпринимаются попытки экспериментального синтеза и теоретического исследования новых карбидкремниевых материалов, структура которых не является политипной разновидностью ранее изученных карбидкремниевых фаз. Кроме того, новые полиморфные модификации SiC могут обладать не обычными и неизвестными на сегодняшний день свойствами, исследование которых представляет наибольший интерес в области наноматериаловедения, микро- и наноэлектроники. Механизмы образования политипных фаз не достаточно изучены, и в большинстве случаев не удается предсказать заранее, какой политип получится при том или ином экспериментальном методе синтеза и, следовательно, объяснить причины образования различных политипов при одинаковых термодинамических условиях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Карбид кремния как  конструкционный материал