Jak vyrobit prášek karbidu křemíku

Karbid křemíku, častěji označovaný jako karborundum, je tvrdý jako diamant a vysoce odolný proti opotřebení. Kromě toho je díky svým keramickým vlastnostem vhodný do prostředí s vysokou teplotou a napětím.

Výsledkem výroby metodou Lely je prášek, který lze brousit do drahých kamenů moissanitu pro použití jako drahokamů, zatímco výrobci jej používají také pro výrobu brusných předmětů a výrobků vyžadujících tvrdost.

Zdroje

Karbid křemíku (SiC), známý také jako karborundum /krbnm/, je extrémně tvrdá sloučenina křemíku a uhlíku, která vzniká přirozeně jako minerál moissanit a od konce 19. století se masově vyrábí jako brusivo. Spojením SiC do tvrdé keramiky nebo jeho dopováním dusíkem, fosforem, beryliem nebo hliníkem lze vytvořit polovodiče n- nebo p-typu.

Průmyslový SiC se obvykle vyrábí Achesonovým procesem zahříváním křemičitého písku se zdroji uhlíku, jako je ropný koks, na vysokou teplotu v otevřené peci, čímž vznikají zrna zelené nebo černé barvy v závislosti na stupni čistoty.

SiC je známý svou vynikající tepelnou vodivostí a odolností proti korozi. Díky nízkému koeficientu tepelné roztažnosti, vysokému poměru pevnosti a tvrdosti, chemické stabilitě a snadné obrobitelnosti slouží jako prvotřídní surovina v mnoha průmyslových aplikacích, jako jsou vysoce kvalitní žáruvzdorné materiály/abraziva/keramika [16].

Zpracování

Karbid křemíku (SiC) je technický keramický materiál s jedinečnými vlastnostmi, mezi něž patří chemická inertnost při všech teplotách, odolnost vůči tepelným šokům a vysoká slinutelnost. SiC se používá v různých aplikacích technické keramiky, včetně výroby nábytku pecí a zařízení pro manipulaci s kapalinami, jakož i ložisek a dílů podléhajících opotřebení. Mezi další využití SiC patří filtry pevných částic a balistická ochrana. Společnost Washington Mills nabízí drticí, mlecí a třídicí zařízení schopné vyrábět suroviny, které splňují normy ANSI, FEPA a JIS.

Velikost zrn SiC prášků se může lišit v závislosti na jejich výchozím stavu a zdroji uhlíku. Oblíbeným postupem přípravy syntézy SiC je termická redukce uhlíkem; ta spočívá v reakci směsi obsahující jeden mol SiO2 menší než 200 mech s 1,5-3 moly zdroje uhlíku; loužení kyselinou, zahřívání a reakce vzniklého roztoku vyloučí vznik skelného uhlíku.

Prášky SiC vyrobené pomocí kvantitativní analýzy XRD jsou dále analyzovány pomocí tvaru částic, granulometrického složení a analýzy specifického povrchu. Mezi důležité charakteristiky patří tvar částic, granulometrické složení a specifický povrch. Částice SiC obvykle vykazují ploché, tříštivé struktury s defektními substrukturami charakterizovanými dislokačními mřížkami na jejich okrajích - což je nežádoucí vlastnost, která by mohla mít negativní dopad na procesy spékání.

Charakteristika

Karbid křemíku má mnoho jedinečných vlastností, které mu umožňují uplatnění v různých průmyslových oblastech. Zejména je extrémně tvrdý, jeho tvrdost dosahuje hodnoty 9 podle Mohse, navíc je tento materiál chemicky inertní a nabízí velkou odolnost proti otěru, tepelnou odolnost až do vysokých teplot a má dobrou pevnost v tahu a nízký koeficient tepelné roztažnosti - to vše dohromady umožňuje karbid křemíku používat v mnoha průmyslových odvětvích.

Výrobní procesy karbidu křemíku mají obrovský vliv na jeho vlastnosti a použití. Edward Goodrich Acheson vyvinul Achesonův proces, který spočívá v zahřívání směsi křemenného písku, ropného koksu a dřevní štěpky na extrémně vysokou teplotu za účelem vyvolání chemických reakcí, při nichž vznikají krystaly karbidu křemíku - tyto krystaly lze poté rozdrtit na prášek nebo odlít do ingotů určených k prodeji.

Tento brusný prášek se běžně používá v leteckém a automobilovém průmyslu k honování a lapování dílů, aby se dosáhlo přesných rozměrů a hladkého povrchu, a také v keramice, při výrobě skla a oceli a jiných kovů. Společnost Alter Technology vytvořila z tohoto materiálu rádiový obvod, který odolává extrémním podmínkám ve vesmíru.

Aplikace

Karbid křemíku je vynikající neoxidový materiál s různými možnostmi použití díky své tvrdosti (Mohsova tvrdost > 9), chemické inertnosti, nízkému koeficientu tepelné roztažnosti a odolnosti vůči teplu i nárazu. Karbid křemíku nachází díky svým tepelně vodivým vlastnostem využití jako otěruvzdorné součásti v abrazivech nebo otěruvzdorné součásti v žáruvzdorné keramice a také v polovodičových a elektrotechnických aplikacích.

Při výrobě SiC výrobci nejprve při vysokých teplotách kombinují amorfní oxid křemičitý s uhlíkem, obvykle s uhelným koksem, a poté jej jemně rozemelou a smíchají s malým množstvím bauxitu, čímž vznikne předlisek. Poté dochází k dopování buď dusíkem (SiC typu n), nebo bórem, hliníkem a heliem (SiC typu p), v závislosti na požadovaném použití.

Výrobci pak tuto předformu používají k výrobě kubického karbidu křemíku buď spojováním reakcí, nebo chemickým napařováním. Nejčastěji se používá spojování reakcí, které zahrnuje zahřátí na teplotu 1410 °C a dopování dusíkem nebo bórem pro výrobu SiC n-typu. Chemické napařování vyžaduje podstatně více energie a zařízení pro svůj proces; spojování reakcí vyžaduje mnohem méně.

Vodivý polovodičový prášek SiC je navržen tak, aby splňoval jedinečné růstové potřeby různých metod pěstování vodivých monokrystalů karbidu křemíku třetí generace typu n. Tento typ prášku má optimální distribuci velikosti částic s malým počtem dutin a nabízí úroveň čistoty produktu přesahující 6N.