Nitridlə birləşdirilmiş silikon karbid: sənayedə istilik və aşınmaya qarşı etibarlı müttəfiq

Bilirsən, refrakterlər sahəsində iyirmi ildən çox çalışıb, yüksək istiliyə və sərt şəraitə davam gətirməli müxtəlif materiallarla sınaq aparandan sonra nitridlə birləşdirilmiş silikon karbidə həqiqi qiymət verdim. Bu, TED mühazirələrində danışılan parlaq texnologiya deyil, amma fabriklərin və müəssisələrin gündəlik çətinliklərində can xilaskarına çevrilir. Bu material silisium karbidin möhkəmliyini, onu daha da dayanıqlı edən nitrit bağlayıcı ilə birləşdirir və ekstremal mühitlərlə məşğul olan hər kəs üçün əsas materiala çevrilib. Mənim xoşuma gələn cəhət odur ki, o, problemləri çox səs-küy olmadan həll edir – daha uzunömürlü astarlar, az dayanma vaxtı və s. Bu məqalədə sizə onun tərkibini, əsas üstünlüklərini, harada istifadə olunduğunu və sahədə gördüyüm bir neçə diqqət edilməli məqamı izah edəcəyəm. Əgər yüksək istilik şəraiti üçün qurğular üzrə variantları nəzərdən keçirən mühəndis və ya texnikisinizsə, bu, sizə faydalı göstərişlər verə bilər.

Əsaslardan başlayaq: nitridlə birləşdirilmiş SiC necə yaranır. Əsas tərkib hissəsi Acheson prosesindən əldə olunan silisium karbid, yəni SiC-dir. Burada silisli qum və karbohidrogeni böyük elektrik sobasında təxminən 2000 dərəcə Selsi və ya daha yüksək temperaturda əridib, nəticədə bu sərt SiC kristalları alınır. Onlar çox möhkəmdir. Bağlı versiyanı hazırlamaq üçün bu SiC dənəciklərini silikon tozu ilə qarışdırıb lazım olan formaya – kərpic, lövhə, bəlkə də boru – salırsınız. Sonra onu azotla dolu mühitdə, təxminən 1400–1500 °C-də bişirirsiniz. Silikon azotla birləşib silikon nitritinə, Si3N4-ə çevrilir və hər şeyi yerində saxlayan bu bağlayıcı şəbəkəni əmələ gətirir. Əsasən SiC-dən ibarətdir, məsələn, təxminən 85%, nitrid isə boşluqları doldurur. Mikroskop altında baxsanız, iynə formalı nitrid kristallarının SiC hissəciklərini bürüdüyünü görəcəksiniz; bu, möhkəm, amma çox qırıqlanmayan bir struktur yaradır. Yüksək temperaturda yanaraq yox ola biləcək əlavə bağlayıcılara ehtiyac qalmır ki, bu da xoş bir cəhətdir.

İndi isə onun bu qədər yaxşı performans göstərməsinin səbəbinə keçək. Termik cəhətdən bu material ağır şəraitə dözə bilir — havada 1650°C-yə qədər, bəzən isə reduktiv atmosferdə daha yüksək temperaturlara. Oksidləşdikdə səthində silika qatarı əmələ gəlir ki, bu da əlavə zərərə qarşı qalxan rolunu oynayır. İstilik keçiriciliyi kifayət qədər yaxşıdır, metr-Kelvin başına 20–40 vatt arasında, buna görə istilik mübadiləçiləri kimi qurğularda istilik axınını problemsiz idarə edir. Genəlmə əmsalı aşağıdır, təxminən hər C° üçün 4×10⁻⁶, yəni temperatur kəskin dəyişdikdə asanlıqla çatlamır. Mexaniki cəhətdən güclüdür — sıxılma möhkəmliyi 200 meqapaskaldan çoxdur — və aşınmaya son dərəcə davamlıdır, çünki SiC demək olar ki, almaz qədər sərtdir. Mən nümunələri əriyən cürufla eroziya testlərindən keçirmişəm və onlar alüminadan hazırlanmış nümunələrdən qat-qat yaxşı vəziyyətdə çıxıblar.

Kimyəvi baxımdan da o, çempiondur. Turşular, qələvilər, əridilmiş metallar – onu çox da narahat etmir. Alüminium işlərində o, digər refrakterləri canlı-canlı yeyən fluoridlərə qarşı dayanıqlıdır. Sıxlığı kub santimetrə təxminən 2,7–3,1 qram arasındadır, ona görə də çox ağır deyil, porozluğu isə 10–20 faiz təşkil edir ki, bu da parçalanmadan bir qədər nəfəs almasına imkan verir. Amma xəbərdarlıq: əgər 1400 °C-dən yuxarı buxarlı mühitdə olsanız, nitrid su ilə reaksiya verib parçalana bilər. Bunu nəzərə almalısınız.

Real dünyada harada rast gəlinir? Çox yerdə. Polad istehsalında, isti soba hissələri üçün əladır; məsələn, tuyerlər və ya baca ətrafındakı, istilik və materialların şiddətli zərbələrinin daimi olduğu yerlərdə. Yadıma gəlir, bir işdə sobanın astarını SiC-ə dəyişdirdik və o, iki dəfə uzunömürlü oldu — altı ayda bir astar dəyişdirmək lazım gəlməkdən bir ildən çoxa qədər davam etdi. Orada böyük qənaət oldu. Mis və ya alüminium kimi metallarda o, ergitmə qablarında və kanallarda istifadə olunur; səthi metalın yapışmasına imkan vermir, buna görə tıxanma olmur. Keramika sahəsində isə yüksək temperaturda yüklər altında əyilməyən soba dayaqları və rəflər üçün uyğundur.

Bu yalnız köhnə məktəb sənayesi deyil. Onu zərərli qazlarla məşğul olan yandırma sobalarında və ya korroziy maddələrlə işləyən kimyəvi reaktorlarda da taparsınız. Son vaxtlar onu yaşıl enerji qurğularında, məsələn, biomas kütləsi qazlaşdırıcılarında və ya günəş qurğularında görmüşəm. Onu demək olar ki, istənilən formaya – standart kərpiclərə və ya xüsusi parçalara – sala və xüsusi harçlarla qura bilərsiniz. Əvvəlcə baha başa gəlir, kiloqramı bəlkə beş-on dollar, amma çətin yerlərdə tez ödəyir.

Bununla belə, bu mükəmməl deyil. Onu düzgün etmək üçün diqqətli nəzarət tələb olunur; əgər nitirləşmə tam başa çatmasa, zəif nöqtələr yaranır. Kəsmə və ya frezələmə toz qaldırır ki, bu da pis xəbərdir — xərçəng törədə bilər — ona görə maska taxın və aspirasiya sistemindən istifadə edin. İstehsal enerji sərf edir, amma təkrar emal yaxşılaşır; bəzi yerlər köhnə hissələrdən 70% SiC-ni geri çıxarır. Tədqiqatlar da sərhədləri genişləndirir: məsələn, çatlara qarşı daha dayanıqlı etmək üçün müxtəlif maddələr əlavə etmək və ya tullantıları azaltmaq üçün 3D çapdan istifadə etmək.

Ümumi götürdükdə, nitritlə birləşdirilmiş silikon karbid ehtiyac olanda sadəcə işləyən materiallardan biridir. Mənim təcrübəmə görə, o, çətin vəziyyətləri tamamilə dəyişdirib, məsələn, o sink zavodunda səmərəliliyi xeyli artırdı. Əgər ondan istifadə etməyi düşünürsünüzsə, onu şəraitinizə—istiqlik, kimyəvi maddələr, gərginlik—uyğunlaşdırın və Saint-Gobain kimi firmaların texniki göstəricilərini yoxlayın. Daha yaxşı, daha ekoloji cəhətdən təmiz üsullar axtardıqca onun parlaq gələcəyi var.