Kako napraviti prahove silicij-karbida

Silikon-karbid, češće nazivan karborundum, tvrd je poput dijamanta i vrlo otporan na habanje. Nadalje, njegova keramička svojstva čine ga pogodnim za visokotemperaturna i visokonaponska okruženja.

Proizvodnja Lely procesom rezultira prahom koji se može rezati u moissanitne dragulje za upotrebu kao dragulji, dok ga proizvođači također koriste u proizvodnji abrazivnih predmeta i proizvoda koji zahtijevaju tvrdoću.

Izvori

Silikon-karbid (SiC), također poznat kao karborundum /krbnm/, izuzetno je tvrdo jedinjenje silicija i ugljika koje se prirodno formira kao mineral moissanite i masovno proizvodi kao abraziv od kraja 19. stoljeća. Spajanjem SiC-a u tvrdu keramiku ili njegovim dopiranjem dušikom, fosforom, berilijumom ili aluminijem mogu se dobiti poluvodiči n- ili p-tipa.

Industrijski SiC se obično proizvodi Achesonovim procesom zagrijavanja silicijskog pijeska sa izvorima ugljika poput naftnog koksa na visoke temperature u otvorenoj peći, dajući zrnca zelene ili crne boje ovisno o njihovoj razini čistoće.

SiC je poznat po svojoj izvrsnoj toplotnoj provodljivosti i otpornosti na koroziju. Sa niskim koeficijentom toplotnog širenja, visokim omjerom čvrstoće i tvrdoće, hemijskom stabilnošću i jednostavnošću obrade, služi kao glavna sirovina u mnogim industrijskim primjenama kao što su visokokvalitetni refraktivi, abrazivi i keramika [16].

Obrada

Karbid silicija (SiC) je tehnička keramička materija s jedinstvenim svojstvima, uključujući hemijsku inertnost na svim temperaturama, otpornost na toplotni šok i visoku sinterabilnost. SiC se koristi u raznim tehničkim keramičkim primjenama, uključujući proizvodnju pećarskog posuđa i opreme za rukovanje tečnostima, kao i ležajeva i dijelova podložnih habanju. Dodatne primjene SiC-a uključuju filtere za čestice dizela i balističku zaštitu. Washington Mills nudi opremu za drobljenje, mljevenje i klasifikaciju sposobnu da proizvede sirovine koje zadovoljavaju ANSI, FEPA i JIS standarde.

SiC prahovi mogu varirati u veličini zrna ovisno o njihovom početnom stanju i izvoru ugljika. Popularan proces pripreme za sintezu SiC-a je karbonska termička redukcija; to uključuje reakciju smjese koja sadrži manje od 200 mech SiO2 po molu i 1,5–3 mola izvora ugljika, zatim kiselinsko ispiranje, zagrijavanje i reakciju dobivene otopine, što sprječava stvaranje staklenog ugljika.

SiC prašci dobiveni kvantitativnom XRD analizom dalje se analiziraju prema obliku čestica, granulometrijskom sastavu i specifičnoj površini. Važne karakteristike uključuju oblik čestica, granulometrijski sastav i specifičnu površinu. SiC čestice obično pokazuju ravne, splinteraste strukture s defektnim podstructurama koje su na svojim rubovima karakterizirane mrežama dislokacija – neželjena karakteristika koja može negativno utjecati na procese sinteriranja.

Karakteristike

Karbid silicija nudi mnoge jedinstvene karakteristike koje mu omogućavaju primjenu u raznim industrijskim područjima. Posebno je izuzetno tvrd, s Mohsovom tvrdoćom od 9. Osim toga, ovaj materijal je hemijski inertan, pruža izvrsnu otpornost na habanje, otpornost na toplinu do visokih temperatura, a ima i dobru čvrstoću na istezanje i nizak koeficijent toplinske ekspanzije – osobine koje ga čine pogodnim za mnoge industrijske primjene.

Procesi proizvodnje karbida silicija imaju ogroman utjecaj na njegova svojstva i primjene. Edward Goodrich Acheson razvio je Achesonov proces, koji uključuje zagrijavanje mješavine kvarcnog pijeska, naftnog koksa i drvnih strugotina na izuzetno visoke temperature kako bi se izazvale hemijske reakcije koje proizvode kristale karbida silicija – ti se kristali potom mogu usitniti u prah ili uliti u ingote za prodaju.

Ovaj abrazivni prah se obično koristi u zrakoplovnoj i automobilskoj industriji za brušenje i poliranje dijelova kako bi se postigle precizne dimenzije i glatke površine, a također se koristi u keramici, proizvodnji stakla te proizvodnji čelika i drugih metala. Alter Technology je napravio radio sklop koristeći ovaj materijal koji može izdržati ekstremne uvjete u svemiru.

Primjene

Keramika na bazi silicij-karbida je izvanredan neoksidni materijal sa raznim primjenama zahvaljujući svojoj tvrdoći (Mohsova tvrdoća > 9), hemijskoj inertnosti, niskom koeficijentu toplotnog širenja i otpornosti na toplotu i udarce. Silicij-karbid se koristi kao otporni na habanje dijelovi u abrazivima ili kao otporni na habanje dijelovi u otpornim keramičkim materijalima, kao i u poluprovodničkim i električnim primjenama zbog svojstava toplotne provodljivosti.

Da bi proizveli SiC, proizvođači prvo kombinuju amorfnu silicu s ugljikom na visokim temperaturama – obično ugljen-kokom kao izvorom ugljika – prije finog mljevenja i miješanja s malim količinama boksita kako bi formirali preformu. Nakon toga se vrši dopiranje dušikom (n-tip SiC) ili borom, aluminijem i galijem (p-tip SiC), ovisno o željenoj primjeni.

Proizvođači potom koriste ovaj preform za proizvodnju kubnog silicij-karbida putem povezivanja reakcijom ili hemijskog taloženja iz pare. Povezivanje reakcijom je češće primjenjivan pristup; ono podrazumijeva zagrijavanje na 1410 °C i dopiranje azotom ili borom za proizvodnju n-tip SiC. Hemijsko taloženje iz pare zahtijeva znatno više energije i opreme za svoj proces; povezivanje reakcijom zahtijeva mnogo manje.

Provodni SiC prah semikonduktorskog kvaliteta dizajniran je da zadovolji jedinstvene potrebe rasta različitih metoda za uzgoj jednokristala provodnog karbida silicija n-tipa treće generacije. Ova vrsta praha ima optimalnu raspodjelu veličine čestica s malo praznina, nudeći nivoe čistoće proizvoda koji premašuju 6N.