Карбид кремния (SiC), как высокоэффективный армирующий материал, используется в антипригарных покрытиях на основе тефлона (политетрафторэтилена, ПТФЭ) главным образом для повышения механической прочности, износостойкости и срока службы покрытия, сохраняя при этом исходные антипригарные свойства и химическую стойкость ПТФЭ. Ниже приведены принципы и методы его применения:
Основная роль: улучшение характеристик покрытия.
Повышение износостойкости:
Покрытие из чистого ПТФЭ мягкое и легко царапается металлическими предметами. Добавление карбида кремния (особенно в виде нано- или микрочастиц) обеспечивает его сверхвысокую твёрдость (9,2 по шкале Мооса, уступая только алмазу) и образует «скелетную основу», значительно повышающую устойчивость покрытия к царапинам.
Эффект: Срок службы покрытия может быть увеличен в 3-5 раз, подходит для кухонной утвари, подвергающейся высоким нагрузкам (например, сковороды с антипригарным покрытием), или промышленного оборудования.
Улучшение адгезии:
ПТФЭ обладает слабой связью с металлической основой. Частицы карбида кремния внедряются в микропоры на поверхности основы посредством физического сцепления, усиливая механическое сцепление между покрытием и основой.
Координация процесса: Сначала необходимо подвергнуть подложку пескоструйной обработке или химическому травлению для формирования шероховатой поверхности, чтобы частицы карбида кремния и подложка образовали взаимосвязанную структуру.
Улучшенная теплопроводность:
Чистый ПТФЭ обладает низкой теплопроводностью (около 0,25 Вт/м·К), что приводит к неравномерному нагреву. Карбид кремния обладает высокой теплопроводностью (120–490 Вт/м·К), что может улучшить общую теплопроводность покрытия.
Эффект: предотвращает разрушение покрытия, вызванное локальным перегревом, и продлевает срок службы (особенно подходит для высокотемпературных плит).
Основные этапы процесса нанесения
карбида кремния Предварительная обработка:
Поверхность частиц необходимо модифицировать (например, нанести покрытие на основе силанового связующего агента) для повышения совместимости с ПТФЭ и предотвращения агломерации.
Контроль размера частиц: обычно используются частицы размером 1–10 микрон. Слишком мелкие (в нанодиапазоне) легко агломерируются, а слишком крупные повлияют на ровность покрытия.
Диспергирование и смешивание:
Модифицированный карбид кремния равномерно диспергируется в эмульсии ПТФЭ (на водной основе или на основе растворителя), а для предотвращения агломерации применяется высокоскоростной сдвиг или ультразвуковая обработка.
Типичное соотношение добавления: 5–15% (по весу), чрезмерное количество ухудшит антипригарные свойства.
Напыление и спекание:
После распыления смешанной суспензии на подложку (например, алюминиевую кастрюлю) ее необходимо спекать при высокой температуре (температура плавления ПТФЭ составляет около 327 °C).
Карбид кремния сохраняет стабильность при спекании (термостойкость > 1600 °C) и внедряется в матрицу ПТФЭ, образуя композитную структуру.
Задача баланса производительности
Характеристики Чистое покрытие ПТФЭ Покрытие ПТФЭ, армированное карбидом кремния Решение
Антипригарные характеристики Отличные Немного снижены Контролировать количество добавки ≤15%
Износостойкость Слабая Улучшение в 3–5 раз Оптимизация распределения размера частиц
Толщина покрытия Тонкая (20–30 мкм) Необходимо утолщение до 40–60 мкм Многослойный процесс напыления
Гладкость поверхности Высокая Может стать шероховатой Поверхность покрыта тонким слоем чистого ПТФЭ (двойное покрытие)
Технология двойного покрытия:
Подложка → Нижний слой ПТФЭ, содержащий карбид кремния (улучшенная адгезия и износостойкость) → Поверхностный слой из чистого ПТФЭ (гарантия антипригарных характеристик)
Типичные сценарии применения
Высококачественная кухонная утварь:
Сковороды, противни и т. п. с антипригарным покрытием, подвергающиеся частому соскребанию металлическими лопатками.
Промышленные детали:
Подшипники, уплотнительные поверхности клапанов должны быть стойкими к коррозии и износу.
Покрытие для формования:
Формы для литья резины/пластика уменьшают адгезию и продлевают циклы очистки.
Сравнение других армирующих наполнителей
Тип наполнителя Преимущества Ограничения Применимые сценарии
Карбид кремния Сверхвысокая твердость, высокая теплопроводность Высокая стоимость, легко осаждается Высокотемпературная и износостойкая среда
Графен Суперсмазывающая способность Трудно диспергируется, чрезвычайно высокая стоимость Высококачественное покрытие лабораторного класса Стекловолокно
Низкая стоимость, упрочнение Сниженная липкость Низкотемпературные промышленные детали
Нитрид бора Хорошая смазывающая способность Теплопроводность ниже, чем у SiC Среднетемпературное смазочное покрытие
Вопросы экологии и безопасности
Безопасность пищевых продуктов:
Сам по себе карбид кремния нетоксичен (сертифицирован FDA), но необходимо убедиться, что частицы полностью покрыты ПТФЭ, чтобы избежать опадания.
Высокая температурная стабильность:
до температуры разложения ПТФЭ (＞400°C) карбид кремния не вступает в реакцию и не выделяет вредных веществ.
Резюме.
Карбид кремния действует как «невидимая броня» в тефлоновых покрытиях, компенсируя механические дефекты ПТФЭ за счёт механизмов физического армирования, а двухслойное покрытие обеспечивает баланс между износостойкостью и антипригарными свойствами. Его применение воплощает суть разработки композитных материалов — достижение оптимального решения между противоречивыми свойствами (такими как твёрдость и смазывающая способность), что в конечном итоге продлевает срок службы ПТФЭ-покрытий в суровых условиях.