Почему в изоляционных плитах используется черный карбид кремния?

Почему в изоляционных плитах используется черный карбид кремния?

Черный карбид кремния (SiC) выбран за уникальное сочетание свойств, которые напрямую решают проблемы, возникающие в условиях высоких температур.

1. Исключительная устойчивость к термическим ударам.

Это самая важная причина. Карбид кремния обладает очень  высокой теплопроводностью  (около 120-140 Вт/м·К), что может показаться нелогичным для теплоизоляционной плиты. Однако при использовании в качестве заполнителя в пористой теплоизоляционной матрице он действует как сеть «тепловых магистралей».

• Механизм:  При быстром нагреве одной стороны платы частицы SiC быстро распределяют тепловую энергию по всему материалу, предотвращая образование сильных температурных градиентов и, как следствие, напряжений, вызывающих растрескивание. Окружающая пористая матрица по-прежнему обеспечивает общие теплоизоляционные свойства.

2. Высокая механическая прочность и твердость.

• Карбид кремния (SiC) — один из самых твердых доступных материалов (твердость по шкале Мооса ~9,5). Его добавление значительно повышает следующие характеристики платы:

  • Прочность на сжатие при низких температурах:  доска выдерживает большие нагрузки при комнатной температуре.

  • Износостойкость:  доска менее подвержена эрозии под воздействием газовых потоков или физического контакта.

  • Прочность при высоких температурах (модуль разрушения при высоких температурах):  материал сохраняет свою прочность при температурах, при которых другие материалы размягчаются.

3. Высокая теплопроводность (как стратегическое преимущество)

Как уже упоминалось, это используется для  регулирования  температуры, а не только для её блокирования. Это позволяет:

• Более быстрый нагрев и охлаждение без повреждения платы.

• Более равномерное распределение температуры внутри печи или обжиговой камеры.

4. Отличная огнеупорность

• Черный карбид кремния имеет высокую температуру плавления (приблизительно 2730 °C или 4946 °F) и стабилен в инертной или восстановительной атмосфере до температуры около 1600 °C. Это делает его пригодным для самых требовательных высокотемпературных применений.

Основные соображения и проблемы

Использование черного карбида кремния сопряжено с определенными компромиссами, которые необходимо тщательно учитывать на этапах производства и применения.

1. Окисление

• Проблема:  При температуре выше приблизительно 900 °C в окислительной атмосфере (воздухе) карбид кремния (SiC) начинает окисляться, образуя на поверхности слой диоксида кремния (SiO₂).

  • SiC + 2O₂ → SiO₂ + CO₂

• Последствия:

  • Слой SiO₂ может приводить к постепенной деградации и ослаблению частиц SiC с течением времени.

  • Процесс окисления вызывает небольшое расширение объема, что может привести к возникновению внутренних напряжений.

• Меры по снижению риска:  Производители часто добавляют в смесь антиоксиданты (например, металлический кремний), которые преимущественно окисляются, защищая частицы SiC.

2. Стоимость

• Черный карбид кремния дороже других распространенных огнеупорных материалов, таких как прокаленная кремневая глина, боксит или даже белый плавленый глинозем. Это увеличивает конечную стоимость теплоизоляционной плиты.

3. Контролируемая пористость для изоляции

• Поскольку карбид кремния (SiC) является плотным и проводящим материалом, производитель должен тщательно продумать структуру платы, чтобы обеспечить низкую теплопроводность. Обычно это достигается следующими способами:

  • Использование высокопористых наполнителей, таких как  пузырьки оксида алюминия  или  многогранные сферы .

  • Использование органических материалов, образующих воздушные полости в процессе выжигания.

  • Создание тонкой, закрытоячеистой пористой структуры.

Типичный состав изоляционной плиты, улучшенной карбидом кремния.

Типичная формула может выглядеть следующим образом:

• 60-70%:  пузырьки оксида алюминия / мулитовые заполнители (основной изоляционный компонент)

• 15-25%:  Черный карбид кремния (армирующий заполнитель)

• 10-15%:  Реактивный порошок оксида алюминия + глина (связующая матрица)

• 1-3%:  антиоксидантные добавки (например, порошок металлического кремния)

• + Связующие вещества:  например, фосфаты или коллоидный диоксид кремния, которые скрепляют заготовку перед обжигом.

Распространенные приложения

Платы, содержащие черный карбид кремния (SiC), используются в самых требовательных областях:

• Нагревательные поверхности печи:  внутренняя футеровка, непосредственно подверженная воздействию пламени и высоких температур.

• Крышки печных тележек:  конструкция, удерживающая изделия в роликовой или туннельной печи, требующая высокой прочности и устойчивости к термическим ударам.

• Блоки горелок:  окружают высокоскоростные горелки в местах с резкими колебаниями температуры.

• Печи для термообработки:  для процессов, требующих быстрого циклического режима работы.

• Дополнительная теплоизоляция:  располагается за плотными огнеупорными литьевыми материалами для обеспечения структурной целостности.

Краткое содержание: Черный карбид кремния против альтернатив

Заключение

Черный карбид кремния — это высококачественная добавка, которая превращает стандартную керамическую изоляционную плиту в высокоэффективный, долговечный и термостойкий продукт.  Его основная задача — обеспечить непревзойденную термостойкость и структурную целостность в условиях, где быстрые перепады температуры и механические напряжения являются постоянной проблемой. Хотя его высокая стоимость и подверженность окислению являются недостатками, преимущества в ответственных областях применения делают его незаменимым материалом.