Когда слышишь про немолекулярные структуры карбида кремния, многие сразу представляют лабораторные образцы или экспериментальные партии. Но в реальности речь идет о материалах, которые десятилетиями работают в печах, турбинах и даже космических аппаратах. Мой опыт подсказывает: главная ошибка новичков — считать, что достаточно просто получить чистый порошок. На деле ключ в управлении дефектами кристаллической решетки, и вот здесь начинается разделение между теоретиками и практиками.
В 2018 году мы столкнулись с партией карбида кремния от АО Ланьчжоу Хуая Карбид Кремния, где заявленная чистота была 99.7%, но термостойкость оказалась на 40% ниже ожидаемой. Разбор показал: проблема была не в химическом составе, а в размере доменов ориентации кристаллов. Именно тогда я окончательно понял, что для немолекулярных структур первична не столько химия, сколько физика кристаллизации.
Кстати, их сайт https://www.lzhy.ru долгое время не отражал деталей по градиентному спеканию, хотя в технических спецификациях это было. Сейчас ситуация улучшилась, но всё равно чувствуется разрыв между тем, что знают технологи на производстве, и тем, что пишут для открытого доступа.
Если брать конкретно черный карбид кремния — тут часто путают его с зеленым, хотя для немолекулярных структур разница принципиальна. Зеленый дает меньшую стабильность при температурах выше 1600°C, и мы это проверили на трех печах с разной атмосферой. Результаты потом легли в основу техусловий для одного из нефтехимических комбинатов.
Шихта — это отдельная история. В АО Ланьчжоу Хуая Карбид Кремния используют собственную схему подготовки шихты, и я помню, как в 2015 их технолог показывал образцы с разным содержанием железосилиция. Оказалось, что даже 2% примеси меняют скорость роста кристаллов на этапе синтеза. Это тот нюанс, который редко встретишь в учебниках.
Кокс — отдельная головная боль. Мы как-то попробовали заменить поставщика кокса и получили вспенивание массы в печи. Пришлось экстренно останавливать процесс. Позже выяснилось, что зольность нового кокса была всего на 0.3% выше, но этого хватило для нарушения газового баланса.
С минеральными продуктами тоже не всё однозначно. Например, кварцит с определенным модулем крупности может дать разную степень летучести кремния. Мы вели журнал таких наблюдений лет пять, пока не выработали эмпирические формулы под конкретные печи.
В 2021 году мы поставляли карбидокремниевые плиты для футеровки печей на одном уральском заводе. Заказчик жаловался на трещины после 20 циклов нагрева. Разбор показал: проблема была не в материале, а в способе крепления — инженеры забыли про тепловое расширение в угловых зонах. После корректировки конструкции плиты отработали 150+ циклов.
Еще запомнился случай с теплообменниками для химического производства. Там требовалась стабильность при контакте с парами фтороводорода. Стандартный карбид кремния не подошел — началось поверхностное травление. Специально разработанные немолекулярные структуры с модифицированной поверхностью решили проблему, но себестоимость выросла на 30%.
Кстати, про немолекулярные структуры карбида кремния часто забывают, что они требуют особых режимов механической обработки. Мы как-то потеряли партию изделий из-за того, что шлифовали их алмазными кругами неподходящей зернистости — появились микротрещины, которые проявились только при термоциклировании.
Методы измерения плотности — отдельная тема. Архимедов метод хорош для лаборатории, но на производстве важнее скорость. Мы перешли на ультразвуковой контроль, но пришлось калибровать оборудование под каждую партию сырья от АО Ланьчжоу Хуая Карбид Кремния — у них своя геометрия гранул, влияющая на распространение волн.
Содержание свободного углерода — бич многих производителей. Однажды мы получили партию, где по документам было 0.2%, а реально — 0.8%. Разница критичная для изделий работающих в окислительной среде. С тех пор всегда делаем выборочный рентгенофазовый анализ, несмотря на затраты.
Гранулометрический состав — кажется простым параметром, но именно здесь чаще всего возникают расхождения между заявленным и фактическим. Особенно для фракций мельче 50 мкм. Мы разработали внутренний стандарт по отбору проб именно для немолекулярных структур, где важна не просто средняя крупность, а распределение частиц по форме.
Последние пять лет вижу смещение спроса в сторону композитных решений на основе карбида кремния. Чистый материал уже не удовлетворяет требованиям по ударной вязкости в некоторых применениях. Например, для бронеэлементов теперь нужны слоистые структуры с градиентом свойств.
Экология — еще один драйвер изменений. Раньше мало кто задумывался об энергоемкости производства, сейчас же каждый крупный заказчик запрашивает данные по углеродному следу. АО Ланьчжоу Хуая Карбид Кремния в этом плане продвинулись — у них есть система рекуперации тепла от печей Ачесона, что редкость для российских производителей.
Если говорить о перспективах — думаю, следующий прорыв будет связан с аддитивными технологиями. Мы уже экспериментировали с 3D-печатью изделий из карбидокремниевых порошков, но пока не вышли на стабильное качество. Основная проблема — образование пор при спекании. Но когда решим этот вопрос — откроются совершенно новые применения.
