Propriétés du carbure de silicium
Le carbure de silicium (SiC), également connu sous le nom de sable de carborundum, est rarement trouvé dans la nature et est couramment utilisé comme matière première synthétique dans l’industrie. Il acquiert d’excellentes propriétés de résistance thermique et de résistance à l’usure. Il a deux formes cristallines : la morphologie à basse température β-SiC, appartenant à la structure cubique, et la forme à haute température α-SiC appartenant à la structure hexagonale. Le carbure de silicium a deux types selon la couleur : le carbure de silicium vert et le carbure de silicium noir.
Sa véritable densité est de 3,21 g/cm3 et la température de décomposition (sublimation) est de 2 600 ℃.
C’est un matériau dur avec une dureté Mohs de 9,2.
Le coefficient de dilatation thermique du SiC n’est pas significatif et le coefficient de dilatation thermique moyen du SiC est de 4,4 dans la plage de 25 ℃ ~ 1 400 ℃ × 10-6/℃.
Performances du carbure de silicium
Le carbure de silicium a une conductivité thermique élevée (58,6 W/m · K). Habituellement, plus la teneur en SiC est élevée, plus la température est basse et plus la conductivité thermique est élevée. Un faible coefficient de dilatation thermique et une conductivité thermique élevée peuvent donner aux matériaux réfractaires SiC une bonne stabilité aux chocs thermiques.
À basses températures, les propriétés chimiques du carbure de silicium sont relativement stables, avec une excellente résistance à l’usure et à la corrosion. Il résiste également à la corrosion de l’acide chlorhydrique bouillant, de l’acide sulfurique et de l’acide fluorhydrique. Cependant, à haute température, il peut réagir avec certains métaux, sels et gaz. Le carbure de silicium reste stable dans une atmosphère réductrice jusqu’à 2600 ℃, mais l’oxydation se produit dans une atmosphère oxydante à haute température :
SiC+2O2 → SiO2+CO2
De plus, le carbure de silicium est un non-oxyde avec une forte liaison covalente et une faible capacité de frittage avec les oxydes.
Le SiC est largement utilisé comme additif pour améliorer les propriétés des matériaux, en particulier la résistance aux scories et la stabilité aux chocs thermiques, en raison de ses avantages tels qu’un faible coefficient de dilatation thermique, une conductivité thermique élevée, une résistance élevée à haute température, une bonne résistance aux scories et la capacité de formation. oxydation protectrice.
Utilisations de matériaux en carbure de silicium :
Carbure de silicium (SiC) dans les matériaux réfractaires façonnés
Dans les matériaux réfractaires façonnés, le carbure de silicium peut être utilisé comme composant principal pour fabriquer des produits SiC ou comme additif pour fabriquer des produits semi-SiC.
Le matériau réfractaire SiC fait référence à un type de matériau réfractaire avancé avec du SiC comme composant principal, qui est cuit à partir de SiC industriel comme matière première, également connu sous le nom de produits SiC. Les produits SiC peuvent être classés en fonction de leur teneur en SiC, du type de liant et de la quantité ajoutée. Les performances des matériaux dépendent largement des conditions de liaison entre les particules de SiC dans le matériau. Les produits SiC sont donc généralement classés en fonction du type de phase de liaison. Selon les différentes phases de liaison, il existe des céramiques de carbure de silicium telles que le SiC lié à l’oxyde, le SiC lié au nitrure, le SiC auto-lié, le SiC fritté par réaction d’infiltration de silicium, etc. Les produits réfractaires semi-SiC sont ceux contenant du carbure de silicium comme
secondaire ou composant auxiliaire. Selon ses différents matériaux, il existe des produits SiC en clinker d’argile, des produits en carbure à haute teneur en oxyde d’aluminium et des produits SiC en corindon. En raison de la présence de carbure de silicium dans ces produits, leur stabilité aux chocs thermiques, leur conductivité thermique et leur résistance sont considérablement améliorées.
L’ajout d’une petite quantité de carbure de silicium aux produits en clinker d’argile SiC a un effet significatif sur l’amélioration de la stabilité aux chocs thermiques des produits. À mesure que la teneur en poudre fine SiC dans les ingrédients augmente, la stabilité des produits aux chocs thermiques s’améliore progressivement. En ajoutant une quantité appropriée de SiC (la quantité la plus appropriée est de 30 %) aux produits SiC à haute teneur en aluminium et en ajoutant une quantité appropriée d’acide phosphorique, les produits ont une stabilité élevée aux chocs thermiques, une bonne conductivité thermique et une résistance élevée. L’ajout d’une petite quantité de poudre fine SiC aux produits en corindon SiC peut améliorer considérablement leur stabilité aux chocs thermiques. À mesure que la quantité de poudre fine de SiC augmente, la stabilité aux chocs thermiques augmente régulièrement. Par exemple, en utilisant du corindon brun comme agrégat, en ajoutant 10 % de poudre fine de SiC, en utilisant de l’acide phosphorique comme liant, un formage à haute pression et un traitement thermique à 1 450 ℃ pour produire des briques de rail coulissant pour les fours de chauffage de laminage d’acier, l’effet d’application est bien.
Carbure de silicium (SiC) dans les matériaux réfractaires amorphes
Dans les matériaux réfractaires amorphes, le carbure de silicium peut être utilisé comme composant principal pour fabriquer des bétons à base de SiC. Il fonctionne comme un additif pour améliorer les performances des autres bétons, notamment en termes de résistance aux scories et de stabilité aux chocs thermiques. La recherche sur l’amélioration des propriétés de coulabilité du SiC se concentre principalement sur des aspects tels que les bétons en corindon et les bétons à haute teneur en alumine.
L’application la plus courante du SiC dans les matériaux réfractaires amorphes concerne le revêtement de travail du canal de coulée du haut fourneau, qui a une histoire de plus de 20 ans et présente de bonnes performances. À l’heure actuelle, le coulable Al2O3-SiC-C est largement utilisé dans les grands hauts fourneaux, tant au niveau national qu’international, prolongeant considérablement la durée de vie du canal de fer. De plus, les matériaux réfractaires amorphes contenant du SiC sont largement utilisés dans l’industrie sidérurgique comme revêtement pour le prétraitement des métaux chauds, les cubilots et les fours à induction ; Le revêtement des parois latérales de la chambre de combustion et le revêtement protecteur du tube de la chaudière de l’incinérateur de déchets ; Revêtement de préchauffeur de four à ciment dans l’industrie du ciment ; Le revêtement du séparateur cyclone des centrales thermiques, la chambre de combustion, le revêtement et le séparateur à haute température des chaudières à lit fluidisé circulant ; Les fours de cuisson perdent des planches, ainsi que des sorties de silicium et d’aluminium dans l’industrie céramique.
En résumé, l’ajout de SiC peut améliorer la résistance à haute température et la stabilité aux chocs thermiques des bétons à base d’Al2O3-SiO2. Cependant, aucune recherche sur la résistance du SiC à la corrosion des scories de plomb n’a encore été rapportée.
Mais le SiC réagit facilement thermodynamiquement avec l’oxygène de l’air. Dans les applications pratiques, notamment à des températures élevées, à faible pression d’oxygène et sous des effets à long terme, le taux d’oxydation du SiC est très rapide.
Grâce à l’étude de la microstructure de la couche d’oxydation à haute température à la surface du SiC, il a été constaté que la couche d’oxydation générée par les matériaux SiC dans la plage de 1 040 à 1 560 ℃ présente les caractéristiques suivantes concernant leur résistance à l’oxydation à haute température :
1) En dessous de 1 360 ℃, la couche d’oxydation formée à la surface des particules de SiC est très fine. Il n’y a pas de changements significatifs dans la microstructure. La résistance à l’oxydation est bonne et elle se trouve dans un stade stable de résistance à l’oxydation.
2) Lorsque la température dépasse 1 360 ℃, l’épaisseur de la couche d’oxyde à la surface du SiC augmente considérablement avec l’augmentation de la température. La couche d’oxyde formée comporte de nombreux pores. Cependant, en raison de l’augmentation progressive de la couche d’oxyde, le SiC présente encore des performances antioxydantes suffisamment élevées. Ce processus est une étape transitoire.
3) Au-dessus de 1 520 ℃, l’épaisseur de la couche d’oxyde est plus grande et la surface extérieure est relativement plate. Cependant, le SiO2 à l’état fondu a une forte fluidité, ce qui rend la couche d’oxydation sur les bords et les coins des particules de SiC plus fine. Le gaz issu de la réaction d’oxydation du SiC a tendance à s’échapper et à former des pores. Cela fournit un canal permettant à l’oxygène d’entrer, accélérant ainsi le taux d’oxydation du SiC. Cette étape est une étape d’oxydation rapide.
4) Il n’y a pas de zone de transition évidente entre la couche de SiO2 formée en surface et la matrice SiC.
