SiC kerámiák (Sziliciumkarbid)
>2000 oC a=0,3073, c=1,5123 AB A Romboéderes: ABCB ABCB 0,43595 nm ABC ABC
SiC4 tetraéderekből áll, a szomszédok távolsága 0,189 nm Több, mint 100 kristályszerkezete fordul elő
SiC tulajdonságai I.
• Az egyik legrégibb szerkezeti anyag (1910-tól ismert, 1890-től alkalmazott) • 1970-től gyors fejlődés, szinterelés • 100% kovalens kötés, 98-99,5 % tisztaságú (szennyezők Al, Fe. O, szabad C. • Színe: zöldtől feketéig • Tipikus nagyteljesítményű kerámia • Kis sűrűség, könnyű: 3,21 g/cm3. (3,05-3,20) • Párolgási hőmérséklete: 3200 oC • Bomlási hőmérséklete: 2545 oC • Jó hővezető: 50-140 W/mK. Egykristály 500, SiCHP+BeO 220270 IC alátétek • Kis hőtágulás 4,3 *10-6/oC • Nagy rugalmassági modulusz E= 414 MPa, 700 SiCw • Hőálló, stabil levegőn 2000 oC-on N2-ben 1450-en bomlik 3SiC+2N2→Si3N4
Tulajdonságai Il. • Nagy keménység: új Mohs 13, HV=3300-2700, Kopásálló, µ=0,3 • Nagy nyomószilárdság 3400 MPa, ν=0,16 • Nagy melegszilárdság, kúszás- és hősokkálló • Kis szívósság 1,5-4,5 MPa√m 6 is van • Tiszta szigetelő, szennyezett (Al, N) félvezető • Kémiailag stabil, ellenáll forró HCl, H2SO4, HF, HF+HNO3 , Szódában (Na2O, NaCO3+KCO3 olvadékban korrodál • feszültségkorrózióra hajlamos vizes oldatokban
Alkalmazások • Abrazív kopásnak ellenálló anyagok, köszörű, csiszolóanyagok • Korróziónak ellenálló anyagok WC, Al2O3 helyett 3-4x élettartam • Melegszilárd, hőálló alkatrészek fúziós reaktorok, turbinák • Papíripar • Hőcserélők, hűtőlapok • Hevítő elemek • Sikló és gördülő csapágyak
8,4 m átmérőjű tükör (a világ legnagyobb binokuláris távcsövéhez) gyártásához öntőforma, SiC csempékből kirakva, INCONEL drótokkal rögzítve (hőtágulás) Hátul SiO2 Al2O3 magok a 1662 méhsejthez Szinterelés 1180 oC-on
SiC előállítása I. • 1849 Despretz laboratóriumban. • 1893 Acheson kísérleti üzem, ipari méret – SiO2+2C →SiC + {2CO2}
• Mai előállítás: • a. 2000 oC-on ívfényes kemencében (lézer, elektronsugár, plazma átolvasztással) – 1. SiO2+3C (koksz) → SiCα +2{CO} (durva) – 2. 1975-től 1500-1800-on βSiC finomszemcsés
• b. Si + rizshéj, cukor (C) → SiC Leválasztás, szűrés, hűtés • c. SiO2(14%) + rizshéj hulladék → SiCw • d. {SiCl4} + {CH4} → SiCβ+4HCl CVD eljárások • e. {SiH4} + {CH4}+H2 → SiC (1400 oC) – {CH8}CO2 szilánokból lézer gázáramból 5-200 nm SiC Hideg, meleg alátétes eljárások, erre csapódik le a SiC
SiC előállítása II. • f. disszociáció CH3SiCl3+H2(Ar, N2) → SiCβ 1470 oC –on plazmában metiltriklorsilan
(CH3)4Si + H2 (Ar, N2) → SiC 950-1400 oC -on polikarbosilan
• g. (CH3)4Si2H2
100-200 nm porméret
→ 2SiC + 2{CH4} + 3{H2}
– tetrametilsilan (TMDS) igen tiszta 200ppm, ultrafinom 1 (800-1100oC) - 3(1350oC) nm Porgyártás, vékony film réteg, in situ kompozit SiC mátrixban (SiC-C, Si-C-Ti), funkcionális gradiens anyagok, folyamatos átmenet SiC-ből C-be (hőfeszültségek csökkentése)
Alakadás • Izostatikus sajtolás gumi szerszámban, nagy darabok, egyenletes sűrűség
• Száraz sajtolás fém formában,
pelletezett SiC por,
sorozatgyártás, bonyolult alak
• Iszapöntés (slip casting) vizzel higított SiC massza gipsz formába öntve a víz eltávozik Turbina rotorok, komplikált alkatrészek
• Kisajtolás (extrusion) szerves hozaganyagokkal kevert képlékeny massza kisajtolása fém formában. Hosszú azonos keresztmetszetű darabok
• Fröccsöntés (injection molding) polystyrén vagy viasz adalékkal kevert, melegített, dagasztott massza, sok adalék repedés ellen
• CVD rétegnövesztés, egykristály növesztés • SiC szálak
Szinterelés, zsugorítás I. • A SiC nehezen, alig szinterelhető (szemcsedurvulás) DSi= • • • • •
10-12-10-14 cm2/s, DC=10-9-10-11 2000-2100oC-on SiCα-ban Adalékkal: 1% Al 1500 oC, 30 kbar, 1 % B 1950 oC-on nagy nyomás (Fe, Al, Cr, Ca, Li, Ni, Al-Fe, Zr-B is szóbajöhet) 1975-től Prochazka nyomásnélküli szinterelés B+C adalékkal Hot pressing (melegsajtolás) 1900-2100 oC-on 50-100 MPa, 98-99% tömörség, 30-50 µm-es pórusok → repedéskezdet szemcsedurvulás miatt max. 2100 oC Nyomás nélküli szinterelés: 2000-2200 oC-on olcsó. Oxigénmentes semleges gázban (He drága, Ar, N2 magasabb szinterelési hőmérséklet)
szubmikronos β-SiC por +B0,4-1%+C0-0,9% oxidréteg eltávolításra 95% sűrűség α-SiC por +B+C +Al vagy C+Al2O3, Si+B+C (Al is) (folyadékfázis)
Szinterelés, zsugorítás II. az Al2O3 a felületi diffúziót gyorsítja Do=10-12-10-14 (14001600 oC), Al2O3-Al4O4C eutektikumot képez 1850 oCon, ebből Al2OC keletkezik, melynek térrácsa megegyezik a SiCβ –mal (oldódnak) A B korlátoltan oldódik a SiC-ban-anyagmozgás, elősegíti a szemcsenövekedést
• 100-200nm SiCβ por+B+C 2000-2100 oC • SiSiC sziliciummal infiltrált SiC sűrűség növekedés • Elérhető sűrűség függ a szemcsemérettől: 95-97% 100-200 nm, 87% 800 nm, 68% 1800 nm
Fáradásos törés
