Węglowodany proszek, wszechstronna klasa materiałów charakteryzująca się ich ekstremalną twardością, wysokimi punktami topnienia i doskonałej odporności na zużycie, odgrywa kluczową rolę w wielu zastosowaniach przemysłowych. Właściwości te wynikają z silnych wiązań kowalencyjnych i jonowych między węglem a pierwiastkiem metalu lub metaloidalnym. Specyficzne właściwości, a zatem zastosowania różnią się znacznie w zależności od zaangażowanego elementu metalicznego, co prowadzi do zróżnicowanej gamy proszków z węglika o dopasowanych cechach.
Wspólne typy i właściwości
Najczęściej spotykane proszki z węglika obejmują:
-
Węglenie wolframowe (WC): Być może najczęściej stosowany proszek z węglików, węgiel wolframowy jest znany ze swojej wyjątkowej twardości, porównywalnej z diamentami i wysokiej wytrzymałości na ściskanie. Zachowuje swoją twardość w podwyższonych temperaturach, dzięki czemu jest idealny do środowisk wysokiej stresu i wysokiej temperatury. Często łączy się z wiążą kobaltowym do tworzenia cementowanego węglika.
-
Krzemowa węglika (sic): Ten węgiel wyróżnia się doskonałą przewodnością cieplną, wysoką wytrzymałość w wysokich temperaturach i bezwładności chemicznej. Wykazuje również dobrą odporność na utlenianie.
-
Tytan Carbide (TIC): Węglenie tytanowe ma wysoką twardość, dobrą przewodność elektryczną i doskonałą stabilność termiczną. Oferuje również dobrą odporność na korozję.
-
Karen chromowy (CR3C2): Znany z wybitnej odporności na korozję i utlenianie, zwłaszcza w wysokich temperaturach, Carbide Chromium zapewnia również dobrą odporność na zużycie.
-
Karen boru (B4C): Jako jeden z najtrudniejszych materiałów wykonanych przez człowieka, węglik borowy ma niską gęstość, przekrój absorpcji neutronów i doskonałą odporność na zużycie.
Kluczowe zastosowania w różnych branżach
Unikalne właściwości proszków z węglika umożliwiają ich zastosowanie w szerokim spektrum wymagających aplikacji:
1. Narzędzia do cięcia i części noszenia
Jest to prawdopodobnie największy obszar aplikacji dla proszków z węglików, zwłaszcza węglika wolframu. Węglaki cementowane (spiekane kompozyty w proszku z węglików i metaliczny spoiwo jak kobalt) są niezbędne dla:
-
Obróbka: Wkładki, ćwiczenia, młyny końcowe i rozwiertaki do cięcia metali, drewna i kompozytów. Ich twardość i odporność na zużycie zapewniają długą żywotność narzędzia i wysoką precyzję.
-
Wydobycie i budowa: Wiernik, zęby do planowania drogowego i talerze noszenia do wykopaliska i łamania twardych materiałów, takich jak skała, beton i asfalt.
-
Formowanie narzędzi: Umiera i stemple do rysowania drutu, prasowania proszków i kształtowania metali, korzystając z ich wysokiej wytrzymałości na ściskanie i odporności na zużycie.
2. Ścierniki ścierne i polerowanie
Ekstremalna twardość pudrów z węglikami czyni je doskonałymi materiałami ściernymi:
-
Szlifowanie kół: W węgliku krzemowym i węgliku boru są używane w szlifowaniu kół do wyostrzenia narzędzi i przetwarzania twardych materiałów.
-
Uciekanie i polerowanie: Proszki drobnoziarniste są stosowane w zawiesinach do precyzyjnego barwania i polerowania optyki, półprzewodników i próbek metalurgicznych.
3. Zastosowania w wysokiej temperaturze
Wysokie temperatury topnienia i stabilność termiczne z węglików sprawiają, że są odpowiednie do ekstremalnych środowisk cieplnych:
-
Refraktory: Krzem krzemowy jest stosowany w opornych podszewkach do pieców i pieców ze względu na jego wysoką odporność na wstrząsy termiczne i wytrzymałość w podwyższonych temperaturach.
-
Komponenty pieca: Elementy grzewcze i komponenty strukturalne w piecach o wysokiej temperaturze wykorzystują węgliek krzemu i inne węgliki.
-
Powłoki rozpylające termiczne: Popdery z węglikami, zwłaszcza węglika wolframowe i węglika chromowe, są wykorzystywane do tworzenia powłok odpornych na zużycie i oporności na korozję na ostrzach turbinowych, komponentach silnika i maszyn przemysłowych poprzez procesy rozpylania termicznego, takie jak HVOF (paliwo tlenu o wysokiej prędkości).
4. Pancerz i balistyka
Wyjątkowa twardość i wysoki stosunek wytrzymałości do ważności niektórych węglików przyczyniają się do ich zastosowania w zastosowaniach ochronnych:
-
Armour: Węglenie borowe i krzemowe węglika są wykorzystywane w lekkich ceramicznych płytach zbroi do ochrony osobistej i zbroi pojazdu ze względu na ich zdolność do pokonania pocisków o dużej prędkości.
-
Kamizelki kuloodporne: Wkładki ceramiczne wykonane z proszków z węglika zapewniają krytyczną ochronę kamizelki balistycznej.
5. Zastosowania jądrowe
Niektóre węgliki mają unikalne właściwości istotne dla przemysłu nuklearnego:
-
Absorbery neutronowe: Wysoki przekrój absorpcji neutronów neutronowych w węglu neutronowym sprawia, że jest cenny w prętach kontrolnych dla reaktorów jądrowych, gdzie pomaga regulować proces rozszczepienia.
-
Paliwo nuklearne: Karen uranowy i węglika plutonowe są badane jako potencjalne paliwa jądrowe ze względu na ich wysoką przewodność cieplną i gęstość.
6. Zaawansowana ceramika i kompozyty
Popdery z węglikami są fundamentalne w produkcji zaawansowanych komponentów ceramicznych i kompozytów macierzy metalowych:
-
Ceramika strukturalna: Krzem krzemowy jest kluczowym materiałem do wysokowydajnej ceramiki strukturalnej stosowanych w zastosowaniach lotniczych, motoryzacyjnych i przemysłowych wymagających wysokiej wytrzymałości, sztywności i odporności na temperaturę.
-
Metalowe kompozyty macierzy (MMC): Cząstki węglika są włączone do macierzy metalowych w celu zwiększenia twardości, odporności na zużycie i wytrzymałości wysokiej temperatury.
Przyszłość technologii węglików proszkowych
Badania i rozwój technologii w proszku węglików nadal przekraczają granice. Innowacje koncentrują się na opracowywaniu nowych dróg syntezy w celu wytwarzania drobniejszych, bardziej jednolitych proszków, eksploracji nowych kompozycji węglików o ulepszonych właściwości oraz optymalizacji technik przetwarzania, takich jak produkcja addytywna (drukowanie 3D) dla złożonych komponentów węglików. Postępy te obiecują jeszcze szersze zastosowania tych niezwykłych materiałów w branżach, od lotu i energii po biomedyczną i elektronikę.
