כיצד לייצר אבקות קרביד סיליקון

קרביד סיליקון, המכונה יותר בשם "קרבורונדום", הוא חומר קשה כמו יהלום ועמיד מאוד בפני שחיקה. בנוסף, תכונותיו הקרמיות הופכות אותו למתאים לסביבות בטמפרטורות גבוהות ולסביבות מתח גבוה.

תהליך הייצור של Lely מביא לתוצר בצורת אבקה שניתן לחתוך לאבני חן מואיסנייט לשימוש כאבני חן, בעוד שיצרנים גם משתמשים בו לייצור פריטים שוחקים ומוצרים הדורשים קשיות.

מקורות

קרביד סיליקון (SiC), הידוע גם בשם קרבורונדום /krbnm/, הוא תרכובת קשה ביותר של סיליקון ופחמן, הנוצרת באופן טבעי כמינרל מויסנייט ומיוצרת בהיקף נרחב כחומר שוחק מאז סוף המאה ה-19. חיבור SiC לקרמיקה קשה או תוספת של חנקן, זרחן, בריליום או אלומיניום אליו יכול ליצור מוליכים למחצה מסוג n או p.

SiC תעשייתי מיוצר בדרך כלל באמצעות תהליך אצ'סון, שבו מחממים חול סיליקה עם מקורות פחמן כמו קוקס נפט לטמפרטורות גבוהות בתנור פתוח, וכתוצאה מכך מתקבלים גרגרים בצבע ירוק או שחור, בהתאם לרמת הטוהר שלהם.

SiC ידוע במוליכות התרמית המעולה שלו ובעמידותו בפני קורוזיה. עם מקדם התפשטות תרמית נמוך, יחס חוזק/קשיות גבוה, יציבות כימית וקלות עיבוד, הוא משמש כחומר גלם עיקרי ביישומים תעשייתיים רבים, כגון חומרים עמידים בחום/חומרים שוחקים/קרמיקה באיכות גבוהה [16].

עיבוד

קרביד סיליקון (SiC) הוא חומר קרמי טכני בעל תכונות ייחודיות, כולל אינרטיות כימית בכל הטמפרטורות, עמידות בפני הלם תרמי ויכולת סינטור גבוהה. SiC משמש ביישומים קרמיים טכניים שונים, כולל ייצור מתקני תנורים וציוד לטיפול בנוזלים, כמו גם מיסבים וחלקים מתכלים. שימושים נוספים של SiC כוללים מסנני חלקיקים דיזל והגנה בליסטית. Washington Mills מציעה ציוד ריסוק, טחינה וסיווג המסוגל לייצר חומרי גלם העומדים בתקני ANSI, FEPA ו-JIS.

אבקות SiC עשויות להשתנות בגודל הגרגרים בהתאם למצבן הראשוני ולמקור הפחמן. תהליך הכנה פופולרי לסינתזה של SiC הוא באמצעות הפחתה תרמית של פחמן; תהליך זה כרוך בתגובה של תערובת המכילה מול אחד של SiO2 פחות מ-200 mech עם 1.5-3 מול של מקור פחמן; שטיפה בחומצה, חימום ותגובה של התמיסה המתקבלת ימנעו היווצרות של פחמן זכוכיתי.

אבקות SiC המיוצרות באמצעות ניתוח כמותי XRD מנותחות עוד יותר באמצעות ניתוח צורת החלקיקים, הרכב גרנולומטרי וניתוח שטח ספציפי. מאפיינים חשובים כוללים צורת החלקיקים, הרכב גרנולומטרי ושטח ספציפי. חלקיקי SiC מציגים בדרך כלל מבנים שטוחים ושבירים עם תת-מבנים פגומים המאופיינים ברשתות עקירה בגבולותיהם – מאפיין לא רצוי העלול להשפיע לרעה על תהליכי sintering.

מאפיינים

קרביד סיליקון מציע מאפיינים ייחודיים רבים המאפשרים את השימוש בו בתחומים תעשייתיים שונים. הוא קשיח במיוחד, עם דירוג קשיות מוס של 9. בנוסף, חומר זה הוא אינרטי מבחינה כימית ומציע עמידות גבוהה בפני שחיקה, עמידות בחום בטמפרטורות גבוהות, חוזק מתיחה טוב ומקדם התפשטות תרמית נמוך – תכונות אשר הופכות את קרביד הסיליקון למתאים לשימושים תעשייתיים רבים.

תהליכי הייצור של קרביד סיליקון משפיעים רבות על תכונותיו ושימושיו. אדוארד גודריץ' אצ'סון פיתח את תהליך אצ'סון, הכולל חימום של תערובת חול קוורץ, קוקס נפט ושבבי עץ לטמפרטורות גבוהות במיוחד, על מנת לגרום לתגובות כימיות המייצרות גבישי קרביד סיליקון – גבישים אלה ניתן לכתוש לאבקה או ליצוק למטילי מתכת למכירה.

אבקה שוחקת זו משמשת בדרך כלל בתעשיות התעופה והחלל והרכב לצורך השחזה וליטוש חלקים כדי להשיג מידות מדויקות וגימור חלק, אך היא משמשת גם בייצור קרמיקה, זכוכית, פלדה ומתכות אחרות. חברת Alter Technology יצרה מעגל רדיו המשתמש בחומר זה, המסוגל לעמוד בתנאי הסביבה הקיצוניים בחלל.

יישומים

קרמיקה מקרבון סיליקון היא חומר לא-חמצני יוצא מן הכלל בעל שימושים מגוונים הודות לקשיחותו (קשיות מוס > 9), אינרטיות כימית, מקדם התפשטות תרמית נמוך ועמידות בפני חום והלם. קרבון סיליקון משמש כחומר עמיד בפני שחיקה בחומרי ליטוש או כחומר עמיד בפני שחיקה בקרמיקה עמידה בפני שחיקה, כמו גם ביישומים מוליכים למחצה וחשמליים הודות לתכונות המוליכות התרמית שלו.

כדי לייצר SiC, היצרנים משלבים תחילה סיליקה אמורפית עם פחמן בטמפרטורות גבוהות – בדרך כלל קוק פחם כמקור הפחמן – לפני שהם טוחנים אותה דק ומערבבים אותה עם כמויות קטנות של בוקסיט ליצירת תבנית. לאחר מכן מתבצע תהליך של סימום בחנקן (SiC מסוג n) או סימום בבורון, אלומיניום וגליום (SiC מסוג p), בהתאם ליישום הרצוי.

היצרנים משתמשים לאחר מכן בתבנית זו לייצור קרביד סיליקון קובייתי באמצעות קישור על ידי תגובה או באמצעות התצהבות כימית. קישור על ידי תגובה הוא הגישה הנפוצה יותר; תהליך זה כרוך בחימום החומר ל-1410 מעלות צלזיוס ודילולו בחנקן או בורון לייצור SiC מסוג n. התצהבות כימית דורשת אנרגיה וציוד רבים יותר לתהליך; קישור על ידי תגובה דורש הרבה פחות.

אבקת SiC מוליכה מדרגת מוליכים למחצה תוכננה כדי לענות על הצרכים הייחודיים של שיטות שונות לגידול גבישים בודדים מוליכים מסוג n מהדור השלישי של קרביד סיליקון. לאבקת סוג זה יש פיזור גודל חלקיקים אופטימלי עם מעט חללים, והיא מציעה רמות טוהר מוצר העולות על 6N.