چرا از کاربید سیلیکون سیاه در صفحات عایق استفاده کنیم؟

چرا از کاربید سیلیکون سیاه در صفحات عایق استفاده کنیم؟

SiC سیاه به دلیل ترکیب منحصر به فرد خواصی که مستقیماً چالش‌های محیط با دمای بالا را برطرف می‌کنند، انتخاب شده است.

۱. مقاومت استثنایی در برابر شوک حرارتی

این مهمترین دلیل است. SiC  رسانایی حرارتی بسیار بالایی دارد  (حدود 120-140 W/m·K)، که ممکن است برای یک تخته عایق غیرمنطقی به نظر برسد. با این حال، هنگامی که به عنوان یک ماده متراکم در یک ماتریس عایق متخلخل استفاده می‌شود، به عنوان شبکه‌ای از “بزرگراه‌های حرارتی” عمل می‌کند.

• مکانیسم:  هنگامی که یک طرف تخته به سرعت گرم می‌شود، ذرات SiC به سرعت انرژی حرارتی را در سراسر ماده توزیع می‌کنند و از ایجاد گرادیان‌های حرارتی شدید و تنش‌های ناشی از آن که باعث ترک خوردگی می‌شوند، جلوگیری می‌کنند. ماتریس متخلخل اطراف هنوز هم ارزش عایق کلی را فراهم می‌کند.

2. استحکام مکانیکی و سختی بالا

• SiC یکی از سخت‌ترین مواد موجود است (سختی موهس ~9.5). افزودن آن به طور قابل توجهی موارد زیر را در تخته افزایش می‌دهد:

  • مقاومت در برابر خرد شدن در سرما:  این تخته می‌تواند بارهای سنگین را در دمای اتاق تحمل کند.

  • مقاومت در برابر سایش:  احتمال فرسایش تخته در اثر جریان گاز یا تماس فیزیکی کمتر است.

  • استحکام در دمای بالا (مدول گسیختگی گرم):  این ماده استحکام خود را در دماهایی که سایر مواد نرم می‌شوند، حفظ می‌کند.

۳. رسانایی حرارتی بالا (به عنوان یک مزیت استراتژیک)

همانطور که گفته شد، این برای مدیریت گرما استفاده می‌شود   ، نه فقط مسدود کردن آن. این امکان را فراهم می‌کند:

• چرخه‌های گرم شدن و خنک شدن سریع‌تر بدون آسیب رساندن به برد.

• توزیع یکنواخت‌تر دما در داخل کوره یا تنور.

4. مقاومت عالی

• SiC سیاه نقطه ذوب بالایی دارد (تقریباً ۲۷۳۰ درجه سانتیگراد یا ۴۹۴۶ درجه فارنهایت) و در اتمسفرهای خنثی یا احیاکننده تا حدود ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد پایدار است. این امر آن را برای سخت‌ترین کاربردهای دما بالا مناسب می‌کند.

ملاحظات و چالش‌های کلیدی

استفاده از SiC سیاه بدون معایبی نیست که باید در طول تولید و کاربرد با دقت مدیریت شوند.

۱. اکسیداسیون

• مشکل:  در دمای بالاتر از تقریباً ۹۰۰ درجه سانتیگراد در یک اتمسفر اکسیدکننده (هوا)، SiC شروع به اکسید شدن می‌کند و یک لایه سیلیس (SiO₂) روی سطح تشکیل می‌دهد.

  • SiC + 2O₂ → SiO₂ + CO₂

• پیامدها:

  • لایه SiO₂ می‌تواند منجر به تخریب تدریجی و تضعیف ذرات SiC در طول زمان شود.

  • فرآیند اکسیداسیون باعث انبساط حجمی جزئی می‌شود که می‌تواند تنش‌های داخلی ایجاد کند.

• کاهش:  تولیدکنندگان اغلب آنتی‌اکسیدان‌هایی (مثلاً سیلیکون فلزی) را به مخلوط اضافه می‌کنند که ترجیحاً اکسید می‌شوند و از ذرات SiC محافظت می‌کنند.

۲. هزینه

• کاربید سیلیکون سیاه گران‌تر از سایر سنگدانه‌های نسوز رایج مانند خاک رس کلسینه شده، بوکسیت یا حتی آلومینای سفید ذوب شده است. این امر هزینه نهایی تخته عایق را افزایش می‌دهد.

۳. تخلخل کنترل‌شده برای عایق‌بندی

• از آنجایی که SiC متراکم و رسانا است، سازنده باید بقیه ساختار برد را با دقت مهندسی کند تا رسانایی حرارتی پایین را حفظ کند. این کار معمولاً توسط موارد زیر انجام می‌شود:

  • استفاده از پرکننده‌های بسیار متخلخل مانند  حباب‌های آلومینا  یا  کره‌های مولایت .

  • استفاده از مواد آلی که پس از سوختن، حفره‌های هوا از خود به جا می‌گذارند.

  • ایجاد یک ساختار منافذ ریز و سلول بسته.

ترکیب معمول یک برد عایق تقویت‌شده با SiC

یک فرمول‌بندی معمول ممکن است به این شکل باشد:

• ۶۰-۷۰٪:  حباب‌های آلومینا / سنگدانه‌های مولایت (جزء عایق اصلی)

• ۱۵-۲۵٪:  شن کاربید سیلیکون سیاه (سنگدانه تقویت کننده)

• ۱۰-۱۵٪:  پودر آلومینای واکنش‌پذیر + خاک رس (ماتریس پیوند)

• ۱-۳٪:  افزودنی‌های آنتی‌اکسیدان (مثلاً پودر فلز سیلیکون)

• + مواد چسبنده:  مانند فسفات‌ها یا سیلیس کلوئیدی برای نگه داشتن بدنه خام قبل از پخت.

کاربردهای رایج

تخته‌های حاوی SiC سیاه در سخت‌ترین زمینه‌ها استفاده می‌شوند:

• سطوح داغ کوره:  پوشش داخلی که مستقیماً در معرض شعله و دمای بالا قرار دارد.

• سقف کوره:  سازه‌ای که ظروف را در کوره غلتکی یا تونلی نگه می‌دارد و نیاز به استحکام بالا و مقاومت در برابر شوک حرارتی دارد.

• بلوک‌های مشعل:  اطراف مشعل‌های پرسرعت که نوسانات دما در آنها شدید است.

• کوره‌های عملیات حرارتی:  برای فرآیندهایی که نیاز به چرخه‌های سریع دارند.

• عایق پشتیبان:  پشت جرم‌های ریختنی نسوز متراکم برای ایجاد یکپارچگی ساختاری.

خلاصه: SiC سیاه در مقابل جایگزین‌ها

نتیجه‌گیری

کاربید سیلیکون سیاه یک افزودنی ممتاز است که یک صفحه عایق سرامیکی استاندارد را به محصولی با کارایی بالا، بادوام و مقاوم در برابر حرارت تبدیل می‌کند.  نقش اصلی آن ارائه مقاومت در برابر شوک حرارتی بی‌نظیر و یکپارچگی ساختاری در محیط‌هایی است که تغییرات سریع دما و تنش مکانیکی یک چالش دائمی است. در حالی که هزینه و حساسیت به اکسیداسیون از معایب آن هستند، مزایای عملکرد آن در کاربردهای حیاتی، آن را به یک ماده ضروری تبدیل می‌کند.