Физические и механические свойства карбида кремния » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Физические и механические свойства карбида кремния

29.06.2021

Наиболее широкое промышленное применение из всех тугоплавких карбидов имеет карбид кремния, сравнение основных физических свойств которого со свойствами других карбидов показывает, что он отличается высокой теплопроводностью, низким коэффициентом термического расширения, малой плотностью и высокими значениями твердости и температуры диссоциации.

Основные свойства монокристалла карбида приведены ниже:


Карбид кремния химически инертен по отношению к большому количеству различных агентов, и в частности обладает хорошим сопротивлением окислению до температур 1550 °С. Такое сочетание свойств позволяет успешно его применять для изготовления электронагревателей, в качестве абразива и конструкционного огнеупорного и жаропрочного материала.

До недавнего времени при изготовлении изделий из порошков карбида кремния применяли стекловидные кремнеземистые, а также алюмосиликатные и глиноземистые связки, имеющие кристаллическое строение. Такие материалы широко используют в металлургии и химической промышленности. Замена этих связок нитридом кремния обусловила значительное улучшение термостойкости, теплопроводности и высокотемпературной прочности.

В последнее время разработаны методы получения изделий из монолитного поликристаллического самосвязующего карбида кремния. В основу технологии положено реакционное спекание брикетов из SiC, углерода и кремния с образованием вторичного карбида кремния в результате взаимодействия углерода с жидким или газообразным кремнием. Этот процесс протекает с достаточно большой скоростью при температурах, превышающих температуру плавления кремния.

Возможен вариант технологии, связанный с пропиткой пористой заготовки жидким кремнием.

Самосвязанный карбид кремния обладает прочностью на изгиб и модулем упругости, вчетверо превосходящими соответствующие значения при 20 °С для карбида кремния на связке из нитридов или керамики при сохранении этих свойств при еще более высоких температурах.

Дальнейшее повышение термостойкости систем на основе карбида кремния может достигаться при помощи структур, состоящих из зерен графита, вкрапленных в матрицу карбида кремния. Окисление и эрозия графитовых частиц подавляются матрицей из карбида кремния; графитовые частицы компенсируют неравномерные термические расширения, когда система подвергается резким теплосменам.

Разновидностью описанного материала может служить силицированный гpaфит, в котором в зависимости oт вида и природы исходною графитового материала и соотношения кремний углерод - карбид кремния могут быть реализованы различные комбинации ценных свойств карбида кремния и графита.

В системе Si-C установлено наличие лишь одного соединения — SiC. Имеющиеся в литературе сведения о существовании Si2C, SiC2, Si3C5 и т. п. пока не подтвердились, хотя подобные соединения и обнаруживаются в продуктах испарения SiC.

Карбид кремния имеет две основные модификации: p-SiC и a-SiC. Модификация P-SiC имеет кубическую решетку типа алмаза, а a-SiC— много структурных типов с гексагональной или ромбоэдрической решеткой. Эти модификации карбида кремния можно рассматривать как совокупность слоев из атомов кремния и углерода, смещенных относительно друг друга и чередующихся так, что образуется либо кубическая, либо гексагональная упаковка из тетраэдрических структур SiC4 и CSi4, в которых атомы каждой тетраэдрической решетки занимают половину тетраэдрических пустот другой решетки. Сейчас надежно установлено существование около 50 политипов гексагонального карбида кремния.

Модификации карбида кремния различаются термодинамической стабильностью. Появление и рост определенной модификации связаны с наличием той или иной степени напряженности системы, вызванной наличием примесей, адсорбированных растущей поверхностью кристаллов, степенью пересыщения среды при кристаллизации, термическими напряжениями в условиях высоких температур процесса роста кристаллов.

При температуре 2100 °C наиболее стабильным является p-SiC. При температуре выше 2100 °C кубический SiC переходит в a-SiC, причем вначале этот процесс идет медленно, но с 2400 °С он проходит быстро и до конца.

Переход р- в a-модификацию происходит, по-видимому, через газовую фазу. Это предположение подтверждают результаты расчетов констант скорости превращения P-SiC в a-SiC в интервале 2100—2300 °C и энергия активации превращения, равная 662 кДж/кмоль. Такое значение близко к величине теплоты испарения SiC в этом интервале температур, равном 557 кДж/кмоль. Добавка 0,2 % Al стабилизирует высокотемпературные модификации карбида кремния.

В настоящее время существует мнение, что в-SiC неустойчив при всех температурах. Считают, что P-SiC — это не более чем предельный вариант «наиболее кубического» SiC, превосходящий «наиболее гексагональный» политип 24, имеющий структуру вюрцита. Образованию p-SiC, по-видимому, благоприятствуют избыток кремния в среде кристаллизации, большие скорости охлаждения, атмосфера, богатая азотом, и в общем случае высокие давления.

Химически чистый карбид кремния бесцветен, а технический — окрашен в зеленоватый или сине-черный цвет. При температуре выше 2300 °C начинается диссоциация SiC, причем конкретная температура начала диссоциации зависит от наличия примеси.

Значения теплот образования, энтропии и теплот сгорания разных модификаций SiC очень близки между собой.

Карбид кремния представляет собой полупроводник примесного типа с электросопротивлением, лежащим между сопротивлением металлических проводников и изоляторов.

Химическая стойкость карбида кремния очень высока. Он разлагается только смесью азотной и плавиковой кислот, а также фосфорной кислотой; SiC, однако, легко разлагается расплавленными щелочами с образованием силикатов.

Водород, азот и углекислый газ не действуют на карбид кремния до весьма высокой температуры; воздействие хлора начинает проявляться при 400-600 °С, а кислорода — при 400 °С. Скорость окисления карбида кремния зависит от наличия в нем примесей.

В процессе силицирования графита карбид кремния получается в результате реактивной диффузии углерода в жидкий кремний.

Испытаны образцы силицированных графитов промышленных марок СГ-М, АСГ-1, СГ-Т.

Образцы испытывали на разрывной машине ИД-3. Нагрев образцов до заданной температуры осуществляли проходящим через них током. Методика испытаний, а также форма и размеры образцов были разработаны в Институте проблем материаловедения АН Украины.

Кратковременную прочность при разрыве определяли при 2000 °С. Температуру измеряли оптическим пирометром.

На графике, построенном по экспериментальным данным (рис. 10.23), показана зависимость кратковременной прочности при разрыве образцов из силицированных графитов от степени пропитки и температуры.

Как видно из графика, резкое повышение прочности при разрыве наблюдается в образцах с незначительным увеличением степени пропитки, при этом чем плотнее графит до силицирования, тем круче подъем кривой, т. е. меньшее изменение степени пропитки приводит к резкому увеличению прочности. Это объясняется тем, что небольшое увеличение степени пропитки приводит к существенному изменению структуры материала.

Если образцы из одного и того же исходного графита после силицирования характеризуются небольшой степенью пропитки, то в их структуре остались поры, не заполненные карбидом кремния, и прочность их невысока. Если же степень пропитки выше, то практически все поры заполняются карбидом кремния, и прочность образцов высокая. Карбид кремния пронизывает весь материал, и чем плотнее исходный графит, тем меньшее увеличение степени пропитки приводит к образованию непрерывного каркаса из карбида кремния.

Силицированный графит часто работает в условиях высоких температур, поэтому зависимость его прочности от температуры представляет большой практический интерес (рис. 10.24, 6).

Как следует из графика, при увеличении температуры примерно до 1500 °C наблюдается уменьшение прочности, причем минимальное ее значение отмечено при 1460—1480 °С. Затем с повышением температуры прочность возрастает: чем больше в составе материала свободного кремния (СГ-Т, СГ-П, АСГ-1), тем меньшее значение имеет прочность при разрыве и тем больше падение прочности при 1460—1480 °С. Плавление кремния в этом интервале температур приводит к снижению прочности при разрыве.

При использовании для силицирования плотного графита, пористость которого 19 %, образуется незначительное количество кремния (15 карбида кремния, 1,5 % кремния, остальное — углерод), и он практически не влияет на изменение прочности при разрыве в зависимости от температуры. Для такого силицированного графита характерен графитокарбидокремниевый каркас. Прочность при разрыве в этом материале непрерывно повышается в зависимости от температуры.

Экспериментальное исследование механических свойств проводили на установке, созданной в отделе прочности НИИ механики МГУ, при 600, 1450, 1870 и 1950 °C в условиях одноосного растяжения. Электронная следящая система обеспечивала поддержание температуры с точностью ±0,5 %; кривые напряжение — деформация записывались автоматически вплоть до разрушения образца.

Физико-механические характеристики силицированных графитов при однократном нагреве образца до различной температуры представлены ниже:

После различного числа циклов при 1650 °С получены следующие значения:

Как следует из этих данных, с повышением температуры возрастают предельная деформация разрушения, предел прочности и незначительно уменьшается модуль упругости этого силицированного графита.

Было исследовано также влияние предварительного циклического нагрева и охлаждения на механические свойства материала. Нагрев от 20 до 1650 °С со скоростью 1,33 °С/с (80 °С/мин), выдержку 10 мин и охлаждение до 1100 °С со скоростью 4,7 °С/с (280 °С/мин) осуществляли с помощью программного устройства. Затем следовал нагрев до 1650 °С и выше.

Из данных, приведенных выше, видно, что в результате предварительного нагрева и охлаждения свойства силицированного графита сильно изменяются, его предельная деформация разрушения уменьшается, снижается предел прочности при разрыве и увеличивается модуль упругости. Степень изменения свойств материала можно определить с помощью соответствующего коэффициента, равного отношению деформации разрушения после одного цикла к предельной деформации после определенного количества циклов. Для данного силицированного графита этот коэффициент после пяти циклов составлял 1,5, а после 13 циклов 20.

Термическое расширение силицированных графитов определяли в интервале температур 20—2000 °C на специально созданной установке.

Изменения размеров испытываемого образца регистрировались оптическим прибором ИГ-32.

Как видно из рис. 10.24, значения истинных коэффициентов линейного расширения силицированных графитов с повышением температуры непрерывно возрастают. Если значение ее приближается к температуре плавления кремния (1400—1470 °С), то на кривой фиксируется резкий скачок изменения коэффициента термического расширения, что, по-видимому, связано с изменением плотности кремния в точке его плавления. Более низкое содержание карбида кремния в составе силицированного графита марки СГ-М и меньшее содержание кремния, чем в силицированном графите марки СГ-Т, определяют соответственно ход кривых 1 и 2. Менее резкий скачок коэффициента термического расширения у силицированного графита марки СГ-М и более пологое изменение после скачка обусловливают его высокую стойкость к теплосменам по сравнению с силицированным графитом марки СГ-Т.

Для определения термической стойкости силицированного графита был принят метод поочередного нагрева и охлаждения образца до появления первой трещины. Образцом служила тонкая пластина размером 40x40x2 мм, которую нагревали в печи сопротивления с графитовым нагревателем, а охлаждали обдувая азотом.

Образец, укрепленный в специальной державке из силицированного графита, перемещали вместе с ней из зоны нагрева в зону охлаждения. В зоне нагрева за 30 мин образец нагревали до 1800 °С. После нагрева державку с образцом быстро извлекали из печи и обдували сжатым азотом. За 3 мин обдува температура на поверхности образца снижалась до комнатной.

Для определения влияния состава и структуры силицированных графитов на стойкость к теплосменам испытывали образцы с различным содержанием карбида кремния, кремния и углерода (табл. 10.20).

Приведенные показатели позволяют не только оценить стойкость к теплосменам силицированных графитов различного состава, но и сравнить ее с пределом прочности при разрыве.

Как и следовало ожидать, более высокое содержание углерода в составе образцов из силицированного графита повышает их стойкость к теплосменам, а более низкое снижает. Механическая прочность при разрыве тем выше, чем больше в составе силицированного графита карбида кремния и меньше кремния.

Долгое время не было научной информации о том, как различное содержание карбида кремния и кремния влияет на стойкость к теплосменам силицированного графита. Изданных, приведенных в табл. 10.20, следует, что при определенных условиях повышенное содержание кремния может играть положительную роль и увеличивать число теплосмен до появления первой трещины.

Из испытанных силицированных графитов наибольшее число теплосмен выдерживает СГ-М. Это объясняется большим количеством углерода (графита) в составе этого материала, что позволяет отнести его к силицированным графитам с графитовым каркасом, в котором карбид кремния и кремний распределены в виде включений.

Наименьшей стойкостью к теплосменам отличается силицированный графит марки АСГ-1 несмотря на то, что прочность при разрыве этого материала выше, чем у всех остальных. Это, в свою очередь, обусловлено высоким содержанием в АСГ-1 карбида кремния и незначительным количеством кремния; АСГ-1 имеет нетермостойкий карбидокремниевый каркас, в котором углерод и кремний распределены в виде включений.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: