SiC kerámiák (Sziliciumkarbid)
>2000 o C a=0,3073, c=1,5123 AB A Romboéderes: ABCB ABCB 0,43595 nm ABC ABC
SiC 4 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/cm 3. (3,05-3,20) Párolgási hőmérséklete: 3200 o C Bomlási hőmérséklete: 2545 o C Jó hővezető: 50-140 W/mK. Egykristály 500, SiC HP +BeO 220-270 IC alátétek Kis hőtágulás 4,3 *10-6 / o C Nagy rugalmassági modulusz E= 414 MPa, 700 SiCw Hőálló, stabil levegőn 2000 o C-on N 2 -ben 1450-en bomlik 3SiC+2N 2 Si 3 N 4
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, Al 2 O 3 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 SiO 2 Al 2 O 3 magok a 1662 méhsejthez Szinterelés 1180 o C-on
SiC előállítása I. 1849 Despretz laboratóriumban. 1893 Acheson kísérleti üzem, ipari méret SiO 2 +2C SiC + {2CO 2 } Mai előállítás: a. 2000 o C-on ívfényes kemencében (lézer, elektronsugár, plazma átolvasztással) 1. SiO 2 +3C (koksz) SiCα +2{CO} (durva) 2. 1975-től 1500-1800-on βsic finomszemcsés b. Si + rizshéj, cukor (C) SiC Leválasztás, szűrés, hűtés c. SiO 2 (14%) + rizshéj hulladék SiC w d. {SiCl 4 }+ {CH 4 } SiC β +4HCl CVD eljárások e. {SiH 4 }+ {CH 4 }+H 2 SiC (1400 o C) {CH 8 }CO 2 szilánokból lézer gázáramból 5-200 nm SiC Hideg, meleg alátétes eljárások, erre csapódik le a SiC
SiC előállítása II. f. disszociáció CH 3 SiCl 3 +H 2 (Ar, N 2 ) SiC β 1470 o C on plazmában metiltriklorsilan (CH 3 ) 4 Si + H 2 (Ar, N 2 ) SiC 950-1400 o C -on polikarbosilan 100-200 nm porméret g. (CH 3 ) 4 Si 2 H 2 2SiC + 2{CH 4 }+3{H 2 } 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) D Si = 10-12 -10-14 cm 2 /s, D C =10-9 -10-11 2000-2100 o C-on SiC α -ban Adalékkal: 1% Al 1500 o C, 30 kbar, 1 % B 1950 o C-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 o C-on 50-100 MPa, 98-99% tömörség, 30-50 µm-es pórusok repedéskezdet szemcsedurvulás miatt max. 2100 o C Nyomás nélküli szinterelés: 2000-2200 o C-on olcsó. Oxigénmentes semleges gázban (He drága, Ar, N 2 magasabb szinterelési hőmérséklet) szubmikronos β-sic por +B 0,4-1%+ C 0-0,9% oxidréteg eltávolításra 95% sűrűség α-sic por +B+C +Al vagy C+Al 2 O 3, Si+B+C (Al is) (folyadékfázis)
Szinterelés, zsugorítás II. az Al 2 O 3 a felületi diffúziót gyorsítja Do=10-12 -10-14 (1400-1600 o C), Al 2 O 3 -Al 4 O 4 C eutektikumot képez 1850 o C- on, ebből Al 2 OC 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 o C SiSiC sziliciummal infiltrált SiC sűrűség növekedés Elérhető sűrűség függ a szemcsemérettől: 95-97% 100-200 nm, 87% 800 nm, 68% 1800 nm
Fáradásos törés