Rohelise ränikarbiidi mikropulbri ainulaadsete omaduste ja rakendusvõimaluste paljastamine
Tänapäeva kõrgtehnoloogiliste materjalide valdkonnas on rohelise ränikarbiidi mikropulber oma ainulaadsete füüsikaliste ja keemiliste omaduste tõttu järk-järgult materjaliteaduse kogukonna tähelepanu keskpunktis. See süsiniku ja räni elementidest koosnev ühend on oma erilise kristallstruktuuri ja suurepäraste omaduste tõttu näidanud laialdasi rakendusvõimalusi paljudes tööstusvaldkondades. See artikkel uurib põhjalikult rohelise ränikarbiidi mikropulbri ainulaadseid omadusi ja selle rakenduspotentsiaali erinevates valdkondades.
1. Rohelise ränikarbiidi mikropulbri põhiomadused
Roheline ränikarbiid (SiC) on sünteetiline ülikõva materjal ja kuulub kovalentse sidemega ühendite hulka. Selle kristallstruktuur on kuusnurkne süsteem teemantja paigutusega. Rohelise ränikarbiidi mikropulber viitab tavaliselt pulbrilistele toodetele, mille osakeste suurus on vahemikus 0,1–100 mikronit ja mille värvus varieerub helerohelisest tumeroheliseni, mis on tingitud erinevast puhtusest ja lisandite sisaldusest.
Mikroskoopiliselt moodustab iga rohelise ränikarbiidi kristalli räniaatom nelja süsinikuaatomiga tetraeedrilise koordinatsiooni. See tugev kovalentne sideme struktuur annab materjalile äärmiselt kõrge kõvaduse ja keemilise stabiilsuse. Tasub märkida, et rohelise ränikarbiidi Mohsi kõvadus ulatub 9,2–9,3-ni, jäädes alla vaid teemandile ja kuubilisele boornitriidile, mis muudab selle abrasiivmaterjalide valdkonnas asendamatuks.
2. Rohelise ränikarbiidi mikropulbri ainulaadsed omadused
1. Suurepärased mehaanilised omadused
Rohelise ränikarbiidi mikropulbri kõige tähelepanuväärsem omadus on selle äärmiselt kõrge kõvadus. Selle Vickersi kõvadus võib ulatuda 2800–3300 kg/mm²-ni, mis teeb selle heaks kõvade materjalide töötlemisel. Samal ajal on rohelisel ränikarbiidil ka hea survetugevus ja see säilitab kõrge mehaanilise tugevuse kõrgetel temperatuuridel. See omadus võimaldab seda kasutada äärmuslikes keskkondades.
2. Suurepärased termilised omadused
Rohelise ränikarbiidi soojusjuhtivus on koguni 120–200 W/(m·K), mis on 3–5 korda suurem kui tavalisel terasel. See suurepärane soojusjuhtivus teeb sellest ideaalse soojust hajutava materjali. Veelgi hämmastavam on see, et rohelise ränikarbiidi soojuspaisumistegur on vaid 4,0 × 10⁻⁶/℃, mis tähendab, et sellel on suurepärane mõõtmete stabiilsus temperatuurimuutuste korral ega tekita soojuspaisumise ja -kokkutõmbumise tõttu ilmseid deformatsioone.
3. Suurepärane keemiline stabiilsus
Keemiliste omaduste poolest on rohelisel ränikarbiidil äärmiselt tugev inerts. See talub enamiku hapete, leeliste ja soolalahuste korrosiooni ning püsib stabiilsena isegi kõrgetel temperatuuridel. Katsed näitavad, et roheline ränikarbiid säilitab hea stabiilsuse oksüdeerivas keskkonnas alla 1000 ℃, mis võimaldab seda pikaajaliselt kasutada söövitavas keskkonnas.
4. Spetsiaalsed elektrilised omadused
Roheline ränikarbiid on laia keelutsooniga pooljuhtmaterjal, mille keelutsooni laius on 3,0 eV, mis on palju suurem kui räni 1,1 eV. See omadus võimaldab tal taluda kõrgemaid pingeid ja temperatuure ning pakub ainulaadseid eeliseid jõuelektroonikaseadmete valdkonnas. Lisaks on rohelisel ränikarbiidil ka suur elektronide liikuvus, mis võimaldab arendada kõrgsageduslikke seadmeid.
3. Rohelise ränikarbiidi mikropulbri valmistusprotsess
Rohelise ränikarbiidi mikropulbri valmistamine toimub peamiselt Achesoni protsessi abil. See meetod segab teatud vahekorras kvartsliiva ja naftakoksi ning kuumutab neid reaktsiooniahjus temperatuurini 2000–2500 ℃. Reaktsiooni käigus tekkiv plokiline roheline ränikarbiid läbib selliseid protsesse nagu purustamine, sorteerimine ja peitsimine, et lõpuks saada erineva osakeste suurusega mikropulbrit.
Viimastel aastatel on tehnoloogia arenedes tekkinud uusi valmistusmeetodeid. Keemilise aurustamise (CVD) abil saab valmistada kõrge puhtusastmega nanoskaala rohelist ränikarbiidipulbrit; sool-geelmeetodiga saab täpselt kontrollida pulbri osakeste suurust ja morfoloogiat; plasmameetodiga saab saavutada pideva tootmise ja parandada tootmise efektiivsust. Need uued protsessid pakuvad rohkem võimalusi rohelise ränikarbiidi mikropulbri jõudluse optimeerimiseks ja rakenduste laiendamiseks.
4. Rohelise ränikarbiidi mikropulbri peamised kasutusalad
1. Täppislihvimine ja poleerimine
Ülikõva abrasiivina kasutatakse rohelist ränikarbiidi mikropulbrit laialdaselt kõvasulami, keraamika, klaasi ja muude materjalide täppistöötluses. Pooljuhtide tööstuses kasutatakse kõrge puhtusastmega rohelist ränikarbiidi pulbrit räniplaatide poleerimiseks ja selle lõikeomadused on paremad kui traditsioonilistel alumiiniumoksiidi abrasiividel. Optiliste komponentide töötlemise valdkonnas võib roheline ränikarbiidi pulber saavutada nanoskaala pinnakareduse ja vastata ülitäpsete optiliste komponentide töötlemisnõuetele.
2. Täiustatud keraamilised materjalid
Roheline ränikarbiidipulber on oluline tooraine kõrgjõudlusega keraamika valmistamiseks. Kuumpressimise, paagutamise või reaktsioonpaagutamise teel saab valmistada suurepäraste mehaaniliste omaduste ja termilise stabiilsusega struktuurkeraamikat. Seda tüüpi keraamilist materjali kasutatakse laialdaselt võtmekomponentides, nagu mehaanilised tihendid, laagrid ja düüsid, eriti karmides töötingimustes, nagu kõrge temperatuur ja korrosioon.
3. Elektroonika ja pooljuhtseadised
Elektroonikavaldkonnas kasutatakse rohelist ränikarbiidi pulbrit laia keelutsooniga pooljuhtmaterjalide valmistamiseks. Rohelisel ränikarbiidil põhinevatel jõuseadmetel on kõrgsageduslikud, kõrgepingelised ja kõrge temperatuuriga tööomadused ning neil on suur potentsiaal uutes energiasõidukites, nutivõrkudes ja muudes valdkondades. Uuringud on näidanud, et rohelise ränikarbiidi jõuseadmed võivad vähendada energiakadu enam kui 50% võrreldes traditsiooniliste ränipõhiste seadmetega.
4. Komposiitarmeerimine
Rohelise ränikarbiidipulbri lisamine tugevdusfaasina metalli- või polümeermaatriksile võib oluliselt parandada komposiitmaterjali tugevust, kõvadust ja kulumiskindlust. Lennunduses kasutatakse alumiiniumipõhiseid ränikarbiidi komposiite kergete ja ülitugevate konstruktsiooniosade valmistamiseks; autotööstuses on ränikarbiidiga tugevdatud piduriklotsidel suurepärane vastupidavus kõrgele temperatuurile.
5. Tulekindlad materjalid ja katted
Rohelise ränikarbiidi kõrge temperatuuri stabiilsust ära kasutades saab valmistada kõrgjõudlusega tulekindlaid materjale. Terasest sulatamise tööstuses kasutatakse ränikarbiidist tulekindlaid telliseid laialdaselt kõrgtemperatuurilistes seadmetes, näiteks kõrgahjudes ja konverterites. Lisaks võivad ränikarbiidi katted pakkuda alusmaterjalile suurepärast kulumis- ja korrosioonikaitset ning neid kasutatakse keemiaseadmetes, turbiinilabades ja muudes valdkondades.