Kako napraviti prahove silicijevog 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

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

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

SiC je poznat po svojoj izvrsnoj toplinskoj provodljivosti i otpornosti na koroziju. S niskim koeficijentom toplinskog širenja, visokim omjerom čvrstoće i tvrdoće, kemijskom stabilnošću i jednostavnošću obrade, služi kao glavna sirovina u mnogim industrijskim primjenama, kao što su visokokvalitetni refraktori, abrazivi i keramika [16].

Obrada

Silikon karbid (SiC) je tehnička keramička tvar s jedinstvenim svojstvima koja uključuju kemijsku inertnost na svim temperaturama, otpornost na toplinski šok i visoku sinterabilnost. SiC se koristi u raznim tehničkim keramičkim primjenama, uključujući proizvodnju pećničkog pribora i opreme za rukovanje tekućinama, kao i ležajeva i dijelova podložnih habanju. Dodatne primjene SiC-a uključuju filtere za čestice dizelskog izduvnog plina i balističku zaštitu. Washington Mills nudi opremu za drobljenje, mljevenje i razvrstavanje sposobnu za proizvodnju sirovina koje zadovoljavaju standarde ANSI, FEPA i JIS.

SiC prahovi mogu varirati u veličini zrna ovisno o njihovom početnom stanju i izvoru ugljika. Popularan postupak pripreme za sintezu SiC-a je karbonotermalna redukcija; to uključuje reakciju smjese koja sadrži jedan mol SiO2 manje od 200 mech s 1,5–3 mola izvora ugljika; kiselinsko ispiranje, zagrijavanje i reakcija nastalog otopina spriječit će 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 oštećenim podstructurama koje su na svojim rubovima karakterizirane dislokacijskim mrežama – nepoželjna karakteristika koja bi mogla negativno utjecati na procese sinteriranja.

Karakteristike

Karbid silicija nudi mnoge jedinstvene karakteristike koje mu omogućuju primjenu u raznim industrijskim područjima. Posebno je izuzetno tvrd, s Mohsovom tvrdoćom od 9. Osim toga, ovaj je materijal kemijski inertan, pruža izvrsnu otpornost na abraziju, otpornost na toplinu do visokih temperatura te ima dobru čvrstoću na istezanje i nizak koeficijent toplinskog širenja – 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 sječka na izuzetno visoke temperature kako bi se potaknule kemijske reakcije koje stvaraju kristale karbida silicija – ti se kristali potom mogu usitniti u prah ili uliti u ingote za prodaju.

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

Primjene

Keramika na bazi silicijevog karbida izvanredan je neoksidni materijal s raznim primjenama zahvaljujući svojoj tvrdoći (Mohsova tvrdoća > 9), kemijskoj inertnosti, niskom koeficijentu toplinske ekspanzije i otpornosti na toplinu i udarce. Silicijev karbid koristi se kao otporni na habanje dijelovi u abrazivima ili kao otporni na habanje dijelovi u otpornim keramičkim materijalima, kao i u poluvodičkim i električnim primjenama zbog svojstava toplinske provodljivosti.

Za proizvodnju SiC-a proizvođači prvo kombiniraju amorfnu silicu s ugljikom na visokim temperaturama – obično koriste kokos od ugljena kao izvor ugljika – prije nego što ga fino usitne i pomiješaju s malim količinama boksita kako bi formirali preformu. Nakon toga slijedi dopiranje dušikom (n-tip SiC) ili dopiranje borom, aluminijem i galijem (p-tip SiC), ovisno o željenoj primjeni.

Proizvođači potom koriste ovu preformu za proizvodnju kubičnog silicijevog karbida putem povezivanja reakcijom ili kemijske depozicije iz pare. Povezivanje reakcijom je češće primjenjiv pristup; ono uključuje zagrijavanje na 1410 °C i dopiranje dušikom ili borom za proizvodnju n-tip SiC. Kemijska depozicija iz pare zahtijeva znatno više energije i opreme za svoj proces; povezivanje reakcijom zahtijeva mnogo manje.

Provodni SiC prah semiconductorske kvalitete osmišljen je da zadovolji jedinstvene potrebe rasta različitih metoda za uzgoj jednokristala provodnog silicijevog karbida treće generacije n-tipa. Ova vrsta praha ima optimalnu raspodjelu veličina čestica s malo praznina, nudeći razine čistoće proizvoda koje premašuju 6N.