كربيد السيليكون مقابل بوتقة الجرافيت - ما الفرق بينهما؟

مقدمة

تتم مقارنة الخواص بما في ذلك الكثافة ومقاومة الحرارة بين  كربيد السيليكون مقابل بوتقة الجرافيت. وتبلغ كثافة الجرافيت حوالي 1.8-2.1 جم/سم مكعب، ولن تتلف عند درجات حرارة تصل إلى 3000 درجة مئوية. ولذلك، فإن بوتقات SiC لها كثافة قريبة من 3.1 جم/سم مكعب، وتقف بشكل جيد عند حوالي 1600 درجة مئوية. كلاهما يخدم في الأفران الساخنة. اكتشف ما يخدم كل منهما في صهر المعادن.

ما هو بوتقة الجرافيت؟

بوتقات الجرافيت تصل إلى 3000 درجة مئوية. هذا ساخن! يذيب الألومنيوم والنحاس. إنه خفيف، بسبب كثافته التي تبلغ 1.8 جم/سم مكعب. وهو قوي لأنه يستخدم SiO₂ طلاء. تتميز هذه المادة بتدفق حراري يبلغ 200 واط/م-كلفن وقدرة انصهار ممتازة.

ما هي بوتقة كربيد السيليكون كربيد السيليكون؟

تصل درجة حرارة البوتقات المصنوعة من كربيد السيليكون إلى 1600 درجة مئوية. لكنها أكثر صلابة، مصنفة 9 على مقياس موس. تُظهر المقارنة الوسطى، "بوتقة الجرافيت مقابل بوتقة كربيد السيليكون"، أن هذه البوتقة ثقيلة عند 3.1 جم/سم مكعب. تعمل في مسابك الحديد والرصاص. تتميز هذه البوتقة بقوة 300 ميجا باسكال.

بوتقة الجرافيت مقابل بوتقة كربيد السيليكون - الاختلافات الرئيسية!

- نقطة الانصهار

تذوب بوتقات الجرافيت عند درجة حرارة 3,650 درجة مئوية، ولكن يتوقف SiC عند 2,700 درجة مئوية. وهذا يتطلب تغييرًا في الفرن. تُظهر بوتقة الجرافيت مقابل بوتقة كربيد السيليكون أن SiC يسخن أسرع. كلاهما يصهر المعادن بشكل مختلف.

مهام حرارية عالية ولكن بدرجات حرارة مختلفة، يمكن تشغيلها بشكل مناسب للأفران والسبائك المختلفة.

- مقاومة المواد الكيميائية

يتم التعامل مع الأحماض القوية بسهولة بواسطة SiC. لا يؤذيها الفلور. هنا، لا يعمل الجرافيت بشكل جيد. تُظهر المقارنة بين بوتقة الجرافيت وبوتقة كربيد السيليكون أن SiC يقاوم المواد الكيميائية بشكل أفضل.

عندما يتعلق الأمر بالملح المنصهر، فهذا مفيد. يمكن أن تتناسب جميعها مع معادن أو مواد كيميائية مختلفة، اعتمادًا على ما تفعله في الأفران.

- مسامية المواد

تمر الغازات بسهولة أكبر، لأن الجرافيت يحتوي على مسامية أكثر بنسبة 10%. لا يمكن للغازات الدخول مع SiC عند صهر المعدن. وهذا يساعد على بقاء المعادن نقية. تُظهر المقارنة بين بوتقة الجرافيت وبوتقة كربيد السيليكون أن مسامية SiC تجعلها أفضل للنقاء. إذا تم استخدام الجرافيت في مثل هذه الإعدادات، فإن الغازات يمكن أن تضعف العملية.

- التوصيل الكهربائي

SiC مقاوم للكهرباء والجرافيت موصل للكهرباء. تبلغ مقاومة SiC 1.0e+06 Ω-سم والجرافيت 10 ⁶ Ω-سم و105 S/m. في أفران كهربائية هذه مشكلة. يعتمد ذوبان القوس الكهربائي على التوصيلية.

التسخين الكهربائي أفضل مع الجرافيت. إنه غير مناسب للصهر الكهربائي، ولكنه أكثر من مناسب للعزل. أقطاب الجرافيت الكربوني من الجرافيت Jinsun الكربوني توصل الكهرباء بشكل أفضل لتشغيل فرن القوس الكهربائي بكفاءة.

- الاستقرار الحراري

عند الوصول إلى تغيرات حرارية سريعة تصل إلى 1,500 درجة مئوية، فإن SiC قادر على امتصاص وإطلاق التغير الشديد في الحرارة مقارنةً بالمواد التقليدية. عندما تتغير درجات الحرارة، يمكن أن يتشقق الجرافيت بسهولة أكبر.

لهذا السبب، يمكن أن تعمل SiC بثبات في ظل التغيرات السريعة في الحرارة. ومع ذلك، فإن كل مادة مناسبة للاستخدامات الأخرى اعتمادًا على درجات الحرارة في الفرن، حيث توفر SiC أفضل أداء عندما يكون هناك تغير سريع في درجات حرارة الفرن.

- مقاومة الأكسدة

يتأكسد الجرافيت عند درجة حرارة 450 درجة مئوية، ولكن يبقى SiC أقوى، حيث تصل درجة حرارته إلى 1000 درجة مئوية. يظل SiC قويًا في الأكسجين. لديه ميزة لأنه في بيئات ثقيلة الأكسجين. يجب حماية الجرافيت من الجرافيت من نفسه، وإلا فإنه يتآكل بشكل أسرع. في مقاومة الأكسدة يفوز SiC مرة أخرى، حيث يبقى سليماً أثناء العمليات الساخنة المليئة بالأكسجين.

- امتصاص الحرارة

ويمتص SiC حرارة أقل (عند 1.23 جول/كلفن) من الجرافيت (عند 1.75 جول/كلفن)، ولكنه يطلقها بشكل أسرع. هذه التغيرات في معدلات الانصهار. على سبيل المثال، تتأثر طاقة الفرن بامتصاص حرارة البوتقة في المعادن المنصهرة.

تختلف الطريقة التي تتعامل بها كل مادة مع الحرارة. من المفيد معرفة البوتقة التي يجب استخدامها لوظيفة معدنية معينة. بالنسبة لصهر المعادن عالية الأداء، فإن أقطاب الجرافيت يتم تصديرها إلى أكثر من 30 دولة.

جدول على بوتقة الجرافيت مقابل بوتقة كربيد السيليكون - الاختلافات الرئيسية!

الموصلية الحرارية والمقاومة الحرارية لبوتقة الجرافيت مقابل بوتقة كربيد السيليكون!

- كفاءة نقل الحرارة

ينقل الجرافيت الحرارة بسرعة 700 واط/م-ك. ينقل SiC الحرارة بسرعة 360 وات/م-ك  كربيد السيليكون مقابل بوتقة الجرافيت يوضح أن SiC يصهر الحديد (Fe) بالتساوي. لتغيرات الحرارة الأسرع، الجرافيت أفضل. تعمل البدلات المختلفة على أنواع مختلفة من المعادن مثل الألومنيوم (Al).

- درجة حرارة التشغيل القصوى

يمكن أن تصل درجة حرارة SiC إلى 1600 درجة مئوية حيث تصل درجة حرارة الجرافيت إلى 3000 درجة مئوية. ونتيجة لذلك، فإن الجرافيت مثالي للمهام شديدة السخونة. في النهاية يصهر هذه الأشياء مثل الفولاذ. تتعامل SiC مع المهام الشائعة. الفرق في درجات الحرارة هو المفتاح في النقاش حول بوتقة الجرافيت مقابل بوتقة كربيد السيليكون.

- الاحتفاظ بالحرارة

يحتفظ الجرافيت بالحرارة لفترة أطول. يحتوي SiC على 0.75 J/g-K بينما يحتوي SiC على 0.7 J/g-K. وهذا يعني أن SiC يبرد أسرع. يختلف سلوكها تجاه المعادن مثل النحاس (Cu). إذا كان التسخين يستغرق وقتًا أطول، فإن الجرافيت يساعد بشكل ممتاز، لذلك يتم استخدامه في عدد كبير من العمليات.

- التدهور الحراري

يقاوم الجرافيت الحرارة العالية. عند 1600 درجة مئوية يبدأ SiC في الانهيار. ويقاوم حتى 2000 درجة مئوية. هذا الفرق يجعل الجرافيت يدوم لفترة أطول. SiC تشققات في الحرارة الشديدة. ويعتمد عمرها الافتراضي على الحرارة.

- نطاق درجة الحرارة

الجرافيت مستقر من درجة حرارة الغرفة إلى 3000 درجة مئوية ودرجات حرارة العمل من -50 درجة مئوية إلى 2500 درجة مئوية. تتراوح درجة حرارة SiC من -20 درجة مئوية إلى 1600 درجة مئوية. يقومان بوظائف مختلفة.

المتانة والقوة الميكانيكية في بوتقات الجرافيت وكربيد السيليكون!

- صلابة الكسر

بوتقة الجرافيت قوية عند 4 ميجا باسكال √م. وهو أكثر صلابة عند 9 ميجا باسكال مع بوتقة كربيد السيليكون (SiC). يمكنها تحمل ذوبان أكثر سخونة حتى 1800 درجة مئوية. الجدران السميكة توقف الشقوق. كما أنها جيدة إذا كان الضغط 3000 رطل لكل بوصة مربعة.

- قوة الانضغاط

يمكن حمل الأحمال الثقيلة. الجرافيت يسحق عند 40 ميجا باسكال. SiC عند 300 ميجا باسكال. ويحمي هذا المعدن المنصهر عند درجة حرارة تزيد عن 1600 درجة مئوية. تكون بوتقات SiC أكثر سمكًا. فهي تدوم خلال الانصهار. تعمل بضغط 1000 كجم/سم².

- مقاومة التآكل

مقاومة البوتقات للتآكل تصل إلى 1650 درجة مئوية. كربيد السيليكون يدوم لفترة أطول. وهذا يجعلها أقوى من بوتقات الجرافيت. في 200 ذوبان، تقاوم SiC الاحتكاك. تُظهر بوتقة الجرافيت مقابل بوتقة كربيد السيليكون أن SiC تتآكل أقل. يحقق صلابة سطح تصل إلى 25 جيجا باسكال، وهي صلابة عالية مقارنةً بالجرافيت عند 15 جيجا باسكال.

- انتشار الشقوق

كما أن بوتقات SiC أبطأ في نمو الشقوق. وتبلغ قيمة تمددها الحراري 4.6 ميكرومتر/م°مئوية. ويتمدد الجرافيت عند 7.4 ميكرومتر/م°مئوية. تحت الحرارة، تكون البوتقة قوية. تُظهِر اختبارات بوتقة الجرافيت مقابل بوتقة كربيد السيليكون شقوقًا أقل. هذا جيد لسلامة المعدن المنصهر، خاصةً عند 1600 درجة مئوية.

- مقاومة الصدمات

البوتقات تقاوم الصدمات بشكل جيد. يمتص الجرافيت طاقة 80 J. ويمتص 200 J. تمتص بوتقات SiC أكثر صلابة بسبب ذلك. عند سقوطها، لن تنكسر بسهولة. والأكثر من ذلك، تظل قوية عند تغير درجات الحرارة. عند وزن 2.1 جم/سم مكعب، يكون SiC أكثر فعالية.

تركيبة المادة وهيكلها!

- محتوى الكربون

يحتوي الجرافيت على كربون 95%. ويحتوي على 70% كربيد السيليكون (SiC). تلتصق ذراتها بإحكام. يحتوي الجرافيت على روابط C-C أخف وزنًا. يضيف SiC ذرات السيليكون. وهذا يجعلها قوية عند 2500 درجة مئوية. عند +3000 درجة مئوية، يذوب الجرافيت بشكل أفضل. كلاهما يعمل بشكل مختلف! تُظهر بوتقة الجرافيت مقابل بوتقة كربيد السيليكون كيف تغير مستويات الكربون سرعة تسخين المعدن.

- محاذاة الحبوب

يبلغ قياس حبيبات SiC 12 ميكرون. تكون حبيبات الجرافيت أكبر بقياس 16 ميكرون. وهذا يجعل الأسطح أكثر سلاسة لأن الحبيبات أصغر حجمًا. وهذا يساعد على عدم التصاق المعدن! من حيث القوة، تبلغ صلابة الكسر لـ SiC 50 ميجا باسكال على عكس الجرافيت الذي يبلغ 30 ميجا باسكال. يتم التحكم في الشقوق عن طريق اتجاه الحبيبات. وهذا يساعد على إبقاء البوتقات تعمل بقوة!

- شعرية الكريستال

التباعد الشبكي 3.35 Å من الجرافيت. عرضه 7.48 Å وبالتالي أكثر صلابة. عند 2000 درجة مئوية يحافظ SiC على شكله بشكل أفضل. ذرات السيليكون في روابطه تجعله كذلك. تتدفق الحرارة بشكل مختلف على البنية الشبكية. يُظهر تصميم بوتقة الجرافيت مقابل بوتقة كربيد السيليكون هذا الاختلاف بوضوح.

- الروابط الجزيئية

وهذا يعني أن طاقة روابط SiC تبلغ 452 كيلوجول/مول. بينما تبلغ طاقة روابط الكربون في الجرافيت 348 كيلوجول/مول. ومع ذلك، فإن روابط Si-C مقاومة تمامًا للتشقق الحراري! وفقًا للمندوبين، الجرافيت جيد في تحمل التغيرات المفاجئة في الحرارة. فهي قوية لطريقة تفاعلها لكنها مرنة. أي أن كلا النوعين جيدان لوظائف التسخين المختلفة في درجات الحرارة العالية!

- كثافة المواد

ومع ذلك، فإن SiC أكثر كثافة أيضًا (3.1 جم/سم مكعب). أما الجرافيت فهو 1.9 جم/سم مكعب فقط، لذا من الواضح أنه ليس كثيفًا جدًا. هذا يبطئ الحرارة ويتحمل ضغطًا أكبر. تختلف عن كيفية تفاعلها مع الوزن. يمكن التعامل مع درجة الحرارة عند 2500 درجة مئوية بواسطة SiC الكثيف. الجرافيت أخف وزنًا لذا يسخن أسرع. كلتا المادتين تعملان بقوة لصهر المعدن!

الاختلافات في الأداء في تطبيقات صناعية محددة!

- مسابك الصلب

يذوب الفولاذ الساخن عند 1,500 درجة مئوية. توفر بوتقات SiC مقاومة للصدمات الناتجة عن تغير الحرارة. لكنها تحتفظ بالحرارة بسرعة، 130 واط/م-ك. كلاهما يتعامل مع 15 طنًا من الفولاذ يوميًا. ويمكنها تحمل 3000 دورة تسخين. تعمل أفران الطاقة بقدرة 200 كيلو وات بشكل أفضل بسبب البوتقة.

- صب المجوهرات

يذوب الذهب عند 1,064 درجة مئوية. يستمر الصب في بوتقات SiC لمدة 200 دورة. يتم منع التلوث على أقل من 0.01% بواسطة الجرافيت، ولم يؤثر خلط الذهب على امتصاص الذهب. تسخن الماكينات بسرعة 2 كيلو وات.

تُظهر بوتقة الجرافيت مقابل بوتقة كربيد السيليكون أداءً أفضل في الصب بالتفريغ عند ضغط 2 بار. وكلاهما يصنعان حلقات لامعة جميلة أيضًا.

- صهر الألومنيوم

يذوب الألومنيوم عند 660 درجة مئوية. كربيد السيليكون مقابل بوتقة الجرافيت يساعد في تسريع التسخين، حتى 2 درجة مئوية/دقيقة. تُظهر 1200 دورة أن نوع SiC أكثر مقاومة للتشققات. يتم استخدامه في أفران بقدرة 5 كيلو واط. يعمل 10% الأكثر إنتاجًا على إذابة الألومنيوم بشكل أسرع قليلاً أيضًا. تستوعب البوتقات 50 كجم.

- تصنيع السيراميك

لصناعة السيراميك، تصل درجة حرارتها إلى 1,400 درجة مئوية. يتم التعامل مع التسخين السريع المقاس إلى 3 درجات مئوية/ثانية بواسطة بوتقات SiC. إنها تحافظ على نظافتها، ولا يوجد تلوث معدني لأن نوع الجرافيت. تعمل كل منها في أفران تصل سعتها إلى 50 لترًا. وهي تتحمل 800 دورة عند 1200 درجة مئوية. وهذا يساعد في صنع سيراميك ناعم.

- المعالجة الكيميائية

تصل درجة حرارة المفاعلات إلى 1,200 درجة مئوية. تقاوم بوتقات الجرافيت الأحماض، وتدوم لفترة أطول. يمكن أن تتحمل SiC أيضًا الضغط العالي - حتى 2,500 رطل لكل بوصة مربعة. وهذا يجعل التفاعلات أسرع. في المفاعلات سعة 100 لتر، تسخن 90 واط/م-ك/دفق حراري. وفي المفاعلات سعة 100 كيلوواط، فهي قوية جدًا في التعامل مع الحرارة أيضًا.

ما البوتقة المناسبة لعمليتك؟

- درجة حرارة التشغيل

يمكن أن تصل درجة حرارته إلى 3,000 درجة مئوية، الجرافيت. يبقى SiC نفسه عند درجة حرارة 1600 درجة مئوية باردة. وهذا يؤثر على تدفق الحرارة. من خلال إدارة درجة الحرارة بشكل مختلف. يحتوي SiC على موصلية حرارية تبلغ 120 واط/م-كلفن (120 واط/م-ك)، مما يساعد على التبريد أو التسخين السريع. تعتمد سرعة العملية على الاختيار الصحيح. هذه هي الطريقة التي تعمل بها "بوتقة الجرافيت مقابل بوتقة كربيد السيليكون" تحت الحرارة. كل منهما يناسب احتياجات مختلفة.

- تفاعلية المواد

يتفاعل الجرافيت فوق 450 درجة مئوية. يبقى SiC آمنًا حتى 1,600 درجة مئوية. تحدث تفاعلات أقل في الداخل. يبلغ معدل الاستخلاص من SiC 0.1 ميكرومتر/سنة. يحافظ على نظافة الأشياء. يمنع حدوث مشاكل في الفرن. يغير التفاعل كيف تتصرف "بوتقة الجرافيت مقابل بوتقة كربيد السيليكون" مع الغازات أو المواد الكيميائية. الحفاظ على نقاء الأشياء يعني الانتقاء بحكمة.

- مدة العملية

يدوم الجرافيت 1,200 دورة. يمكن أن يدوم SiC 2,500 دورة. بالنسبة لـ SiC، يبلغ معدل التآكل 0.5 مم/سنة. تبقى قوية لفترة أطول. يتأثر وقت المعالجة بكل دورة. SiC هو 9 على مقياس موس للصلابة. المتانة الأفضل تعني متانة أطول تحتاج إلى متانة أفضل. وهذا يجعل عمليتك سلسة واقتصادية.

- توافق المعادن

يذيب الجرافيت الفولاذ. يذيب SiC النحاس والنحاس الأصفر والألومنيوم. تبلغ مسامية SiC 8%. تعمل المعادن المختلفة معها. الذوبان النظيف يتعلق بالتوافق. يحافظ على نقاء المعادن. يبلغ التمدد الحراري لـ SiC 4.3 ميكرومتر/م°مئوية. لا تتلوث بالمعادن.

- قيود الميزانية

تبلغ تكلفة SiC $100، على الرغم من أن الجرافيت هو $50 فقط. هذا يؤثر على خطة أموالك. فهي تبلى بشكل مختلف. تدوم SiC لفترة أطول، وفي النهاية، توفر أموالك. ومع ذلك، فإن سعر كل بوتقة هو الذي يحدد كيفية عملها. وفر المال الذي تدفعه مقابل البدائل. اختر بحكمة. كلما دفعت أكثر مقابل شيء ما واستغرق وقتًا أطول لوصوله، كلما أنفقت أكثر.

الخاتمة

بوتقة الجرافيت مقابل بوتقة كربيد السيليكون يقارن الحرارة والقوة وأكثر من ذلك. تقاوم الأكسدة عند 1,000 درجة مئوية الأكسدة في SiC، لكن الجرافيت يمكنه التعامل مع 450 درجة مئوية فقط. يسخن الجرافيت بسرعة مع تدفق حراري 700 واط/م-ك. راجعها على جينسونكاربون.