คุณสมบัติของซิลิคอนคาร์ไบด์

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) หรือที่เรียกว่าทรายคาร์บอรันดัมนั้นหาได้ยากในธรรมชาติ และมักใช้เป็นวัตถุดิบสังเคราะห์ในอุตสาหกรรม ได้รับคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมในการต้านทานความร้อนและความต้านทานการสึกหรอ มีรูปแบบผลึกสองรูปแบบ: สัณฐานวิทยาที่อุณหภูมิต่ำ β- SiC ซึ่งเป็นของโครงสร้างลูกบาศก์ และรูปแบบอุณหภูมิสูง α- SiC ที่เป็นของโครงสร้างหกเหลี่ยม ซิลิคอนคาร์ไบด์มีสองประเภทตามสี: ซิลิคอนคาร์ไบด์สีเขียวและซิลิกอนคาร์ไบด์สีดำ

ความหนาแน่นที่แท้จริงของมันคือ 3.21g/cm3 และอุณหภูมิการสลายตัว (ระเหิด) คือ 2,600 ℃
เป็นวัสดุแข็งที่มีความแข็ง Mohs อยู่ที่ 9.2
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของ SiC ไม่มีนัยสำคัญ และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนโดยเฉลี่ยของ SiC อยู่ที่ 4.4 ภายในช่วง 25 ℃~1400 ℃ × 10-6/℃

ประสิทธิภาพของซิลิกอนคาร์ไบด์

ซิลิคอนคาร์ไบด์มีค่าการนำความร้อนสูง (58.6W/m · K) โดยปกติ ยิ่งปริมาณ SiC สูง อุณหภูมิก็จะยิ่งต่ำลง และค่าการนำความร้อนก็จะยิ่งมากขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำและการนำความร้อนสูงสามารถทำให้วัสดุทนไฟ SiC มีเสถียรภาพการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ดี
ที่อุณหภูมิต่ำ คุณสมบัติทางเคมีของซิลิคอนคาร์ไบด์ค่อนข้างคงที่ โดยมีความต้านทานการสึกหรอและการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม นอกจากนี้ยังทนต่อการกัดกร่อนในกรดไฮโดรคลอริกที่กำลังเดือด กรดซัลฟิวริก และกรดไฮโดรฟลูออริก อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิสูง มันสามารถทำปฏิกิริยากับโลหะ เกลือ และก๊าซบางชนิดได้ ซิลิคอนคาร์ไบด์ยังคงความเสถียรในบรรยากาศรีดิวซ์จนถึง 2,600 ℃ แต่การเกิดออกซิเดชันเกิดขึ้นในบรรยากาศออกซิไดซ์ที่อุณหภูมิสูง:

SiC+2O2 → SiO2+CO2

นอกจากนี้ วัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์ไม่ใช่ออกไซด์ซึ่งมีพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งและความสามารถในการเผาผนึกกับออกไซด์ต่ำ
SiC ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นสารเติมแต่งเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความต้านทานต่อตะกรันและเสถียรภาพการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ เนื่องจากมีข้อดีเช่นค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ การนำความร้อนสูง ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงสูง ความต้านทานตะกรันที่ดี และความสามารถในการขึ้นรูป ออกซิเดชันป้องกัน

การใช้วัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์:

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ในวัสดุทนไฟรูปทรง

ในวัสดุทนไฟที่มีรูปทรง ซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถใช้เป็นส่วนประกอบหลักในการผลิตผลิตภัณฑ์ SiC หรือเป็นสารเติมแต่งในการผลิตผลิตภัณฑ์กึ่ง SiC
วัสดุทนไฟ SiC หมายถึงวัสดุทนไฟขั้นสูงประเภทหนึ่งซึ่งมี SiC เป็นส่วนประกอบหลัก ซึ่งถูกไล่ออกจาก SiC อุตสาหกรรมเป็นวัตถุดิบ หรือที่เรียกว่าผลิตภัณฑ์ SiC ผลิตภัณฑ์ SiC สามารถจำแนกตามปริมาณ SiC ประเภทของสารยึดเกาะ และปริมาณที่เติม ประสิทธิภาพของวัสดุส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับสภาวะการยึดเกาะระหว่างอนุภาค SiC ในวัสดุ ดังนั้นผลิตภัณฑ์ SiC มักจะถูกจำแนกตามประเภทของขั้นตอนการติด ตามขั้นตอนการจับที่แตกต่างกัน มีเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ เช่น SiC ที่ถูกพันธะออกไซด์, SiC ที่ถูกพันธะไนไตรด์, SiC ที่พันธะในตัวเอง, SiC ที่เผาปฏิกิริยาการแทรกซึมของซิลิกอน เป็นต้น ผลิตภัณฑ์วัสดุทนไฟกึ่ง SiC คือผลิตภัณฑ์ที่มีซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุทุติย
ภูมิ หรือส่วนประกอบเสริม ตามวัสดุที่แตกต่างกัน มีผลิตภัณฑ์ SiC ปูนเม็ดดินเหนียว ผลิตภัณฑ์อะลูมิเนียมออกไซด์คาร์ไบด์สูง และผลิตภัณฑ์ SiC คอรันดัม เนื่องจากมีซิลิคอนคาร์ไบด์อยู่ในผลิตภัณฑ์เหล่านี้ เสถียรภาพการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ การนำความร้อน และความแข็งแรงจึงได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ

การเติมซิลิคอนคาร์ไบด์จำนวนเล็กน้อยลงในผลิตภัณฑ์ SiC ของปูนเม็ดดินเหนียวมีผลอย่างมากในการปรับปรุงเสถียรภาพการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วของผลิตภัณฑ์ เมื่อปริมาณผงละเอียด SiC ในส่วนผสมเพิ่มขึ้น ความคงตัวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์จะค่อยๆ ดีขึ้น การเพิ่ม SiC ในปริมาณที่เหมาะสม (ปริมาณที่เหมาะสมที่สุดคือ 30%) ให้กับผลิตภัณฑ์ SiC อะลูมิเนียมระดับสูง และการเติมกรดฟอสฟอริกในปริมาณที่เหมาะสม ผลิตภัณฑ์จะมีเสถียรภาพการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว มีการนำความร้อนได้ดี และมีความแข็งแรงสูง การเติมผงละเอียด SiC จำนวนเล็กน้อยลงในผลิตภัณฑ์ SiC คอรันดัมสามารถปรับปรุงเสถียรภาพการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้อย่างมาก เมื่อปริมาณผงละเอียด SiC เพิ่มขึ้น ความคงตัวของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันจะเพิ่มขึ้นเป็นประจำ ตัวอย่างเช่น การใช้คอรันดัมสีน้ำตาลเป็นส่วนผสม โดยเติมผงละเอียด SiC 10% โดยใช้กรดฟอสฟอริกเป็นสารยึดเกาะ การขึ้นรูปด้วยแรงดันสูง และการบำบัดความร้อนที่ 1,450 ℃ เพื่อผลิตอิฐรางสไลด์สำหรับเตาให้ความร้อนแบบรีดเหล็ก ผลของการใช้งานคือ ดี.

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ในวัสดุทนไฟอสัณฐาน

ในวัสดุทนไฟอสัณฐาน ซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถใช้เป็นส่วนประกอบหลักในการผลิตวัสดุหล่อแบบ SiC ได้ มันทำงานเป็นสารเติมแต่งเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุหล่อแบบอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของความต้านทานตะกรันและความเสถียรจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ การวิจัยเกี่ยวกับการปรับปรุงคุณสมบัติการหล่อด้วย SiC มุ่งเน้นไปที่แง่มุมต่างๆ เป็นหลัก เช่น การหล่อแบบคอรันดัมและแบบหล่อแบบอลูมินาสูง
การใช้งานทั่วไปของ SiC ในวัสดุทนไฟอสัณฐานคือสำหรับซับในการทำงานของช่องต๊าปของเตาหลอมซึ่งมีประวัติยาวนานกว่า 20 ปีและมีประสิทธิภาพที่ดี ปัจจุบัน Al2O3-SiC-C แบบหล่อได้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเตาถลุงเหล็กขนาดใหญ่ทั้งในประเทศและต่างประเทศ ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของช่องเหล็กได้อย่างมาก นอกจากนี้ วัสดุทนไฟอสัณฐานที่มี SiC ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้า เพื่อเป็นวัสดุบุรองสำหรับการปรับสภาพโลหะร้อน โดม และเตาเหนี่ยวนำ ผนังด้านข้างห้องเผาไหม้และเยื่อบุป้องกันท่อหม้อไอน้ำของเตาเผาขยะ ซับเครื่องอุ่นเตาเผาปูนซีเมนต์ในอุตสาหกรรมปูนซีเมนต์ เยื่อบุตัวแยกพายุไซโคลนของโรงไฟฟ้าพลังความร้อน ห้องเผาไหม้ เยื่อบุ และตัวแยกอุณหภูมิสูงของหม้อไอน้ำฟลูอิไดซ์เบดหมุนเวียน แผงโรงเผาเตาเผา รวมถึงช่องจ่ายซิลิคอนและอลูมิเนียมในอุตสาหกรรมเซรามิก

โดยสรุป การเพิ่ม SiC สามารถปรับปรุงความแข็งแกร่งที่อุณหภูมิสูงและเสถียรภาพการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของวัสดุหล่อที่ใช้ Al2O3-SiO2 ได้ อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีรายงานการวิจัยเกี่ยวกับความต้านทานของ SiC ต่อการกัดกร่อนของตะกรัน
แต่ SiC นั้นมีปฏิกิริยาทางอุณหพลศาสตร์กับออกซิเจนในอากาศได้ง่าย ในการใช้งานจริง โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้อุณหภูมิสูง ความดันออกซิเจนต่ำ และผลกระทบระยะยาว อัตราการเกิดออกซิเดชันของ SiC จะเร็วมาก

จากการศึกษาโครงสร้างจุลภาคของชั้นออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงบนพื้นผิวของ SiC พบว่าชั้นออกซิเดชันที่สร้างโดยวัสดุ SiC ในช่วง 1,040 ~ 1,560 ℃ มีลักษณะดังต่อไปนี้ต่อความต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง:

1) ต่ำกว่า 1360 ℃ ชั้นออกซิเดชันที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของอนุภาค SiC จะบางมาก ไม่มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคที่มีนัยสำคัญ ความต้านทานการเกิดออกซิเดชันเป็นสิ่งที่ดีและอยู่ในขั้นที่เสถียรของความต้านทานการเกิดออกซิเดชัน

2) เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 1360 ℃ ความหนาของชั้นออกไซด์บนพื้นผิวของ SiC จะเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ชั้นออกไซด์ที่เกิดขึ้นจะมีรูพรุนจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากชั้นออกไซด์เพิ่มขึ้นทีละน้อย SiC จึงยังคงแสดงประสิทธิภาพในการต้านอนุมูลอิสระสูงเพียงพอ กระบวนการนี้เป็นขั้นตอนการเปลี่ยนผ่าน

3) สูงกว่า 1,520 ℃ ความหนาของชั้นออกไซด์มีขนาดใหญ่ขึ้น และพื้นผิวด้านนอกค่อนข้างเรียบ อย่างไรก็ตาม SiO2 ในสถานะหลอมเหลวมีความสามารถในการไหลสูง ส่งผลให้ชั้นออกซิเดชันที่ขอบและมุมของอนุภาค SiC บางลง ก๊าซจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของ SiC มีแนวโน้มที่จะหลบหนีและก่อตัวเป็นรูพรุน ที่เป็นช่องทางให้ออกซิเจนเข้าไปเร่งอัตราการออกซิเดชันของ SiC ระยะนี้เป็นระยะออกซิเดชันอย่างรวดเร็ว

4) ไม่มีโซนการเปลี่ยนแปลงที่ชัดเจนระหว่างชั้น SiO2 ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวและเมทริกซ์ SiC