W ostatnich latach półprzewodniki z węglika krzemu zyskały szerokie zainteresowanie w przemyśle. Jednak jako materiał o wysokiej wydajności, urządzenia elektroniczne (diody, urządzenia mocy) stanowią tylko niewielką część jego zastosowań. Węglik krzemu może być również stosowany jako materiał ścierny, tnący, konstrukcyjny, optyczny, nośnik katalizatora itp. Dzisiaj przedstawimy głównie ceramikę z węglika krzemu, która charakteryzuje się stabilnymi właściwościami chemicznymi, odpornością na wysokie temperatury, zużyciem, korozją, wysoką przewodnością cieplną, niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, niską gęstością i wysoką wytrzymałością mechaniczną. Jest on szeroko stosowany w przemyśle chemicznym, energetycznym i ochrony środowiska, półprzewodnikach, metalurgii, przemyśle obronnym i wojskowym oraz w innych dziedzinach.

1.Struktura i właściwości węglika krzemu

Węglik krzemu (SiC) zawiera krzem i węgiel i jest typowym związkiem polimorficznym. Składa się głównie z dwóch form krystalicznych: α-SiC (stabilnej w wysokich temperaturach) i β-SiC (stabilnej w niskich temperaturach). Istnieje ponad 200 polimorfów, z których szczególnie reprezentatywne są 3C-SiC β-SiC oraz 2H-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC i 15R-SiC α-SiC.

W temperaturach poniżej 1600°C SiC występuje jako β-SiC, który można wytworzyć z prostej mieszanki krzemu i węgla w temperaturze około 1450°C. Powyżej 1600°C β-SiC powoli przekształca się w różne politypy α-SiC. 4H-SiC łatwo tworzy się w temperaturach około 2000°C; zarówno politypy 6H, jak i 15R wymagają temperatur powyżej 2100°C. 6H-SiC pozostaje bardzo stabilny nawet w temperaturach przekraczających 2200°C, co czyni go szeroko stosowanym w zastosowaniach przemysłowych. Czysty węglik krzemu jest bezbarwnym, przezroczystym kryształem. Przemysłowy węglik krzemu występuje w kolorach o malejącej przejrzystości, w tym bezbarwnym, jasnożółtym, jasnozielonym, ciemnozielonym, jasnoniebieskim, ciemnoniebieskim, a nawet czarnym. W przemyśle materiałów ściernych węglik krzemu klasyfikuje się według koloru: czarny węglik krzemu i zielony węglik krzemu. Bezbarwny do ciemnozielonego węglik krzemu jest klasyfikowany jako zielony węglik krzemu, natomiast jasnoniebieski do czarnego – jako czarny węglik krzemu. Zarówno czarny, jak i zielony węglik krzemu to heksagonalne kryształy α-SiC. Zazwyczaj do produkcji ceramiki z węglika krzemu jako surowca stosuje się zielony proszek węglika krzemu.

2. Proces przygotowania ceramiki z węglika krzemu

Ceramika z węglika krzemu jest wytwarzana poprzez kruszenie, mielenie i klasyfikację surowców węglika krzemu w celu uzyskania cząstek SiC o jednorodnym rozkładzie wielkości cząstek. Cząstki SiC są następnie mieszane z dodatkiem spiekalnym i spoiwem tymczasowym, prasowane w surową masę kompaktową, a następnie spiekane w wysokiej temperaturze. Jednak ze względu na wysoką kowalencyjność wiązań Si-C (~88%) i ich niski współczynnik dyfuzji, jednym z głównych wyzwań w procesie przygotowania jest trudność w osiągnięciu zagęszczenia podczas spiekania. Metody wytwarzania ceramiki z węglika krzemu o wysokiej gęstości obejmują spiekanie reakcyjne, spiekanie bezciśnieniowe, prasowanie na gorąco, spiekanie rekrystalizacyjne, prasowanie izostatyczne na gorąco oraz spiekanie plazmą iskrową. Jednak ceramika z węglika krzemu charakteryzuje się niską odpornością na pękanie, co skutkuje większą kruchością. Dlatego w ostatnich latach pojawiły się kompozytowe materiały ceramiczne na bazie węglika krzemu, takie jak wzmocnienie włókniste (lub wiskerowe), wzmocnienie za pomocą heterogenicznej dyspersji cząstek i materiały o funkcjonalnie gradientowym, które mają na celu poprawę wytrzymałości i twardości pojedynczego materiału.

3. Perspektywy zastosowania i rozwoju ceramiki z węglika krzemu 

Jako wysokotemperaturowy ceramiczny materiał konstrukcyjny o doskonałych parametrach, ceramika węglika krzemu jest coraz częściej stosowana w piecach wysokotemperaturowych, metalurgii stali, petrochemii, elektronice mechanicznej, lotnictwie, energetyce i ochronie środowiska, energetyce jądrowej, motoryzacji i innych dziedzinach. Uważamy, że wykorzystanie najskuteczniejszej metody w celu osiągnięcia jak najlepszych wyników 

W przyszłości, wraz ze wzrostem wskaźnika penetracji rynku nowych pojazdów energetycznych, energetyki, przemysłu, komunikacji i innych dziedzin oraz rosnącymi wymaganiami dotyczącymi precyzyjnych, wysoce odpornych na zużycie i wysoce niezawodnych komponentów mechanicznych lub elektronicznych w różnych dziedzinach, można się spodziewać dalszego wzrostu rynku produktów ceramicznych z węglika krzemu, a ważnymi obszarami rozwoju są nowe pojazdy energetyczne i fotowoltaika.