Hvordan lage silisiumkarbidpulver

Silisiumkarbid, ofte kalt karborundum, er hardt som diamant og svært slitesterkt. De keramiske egenskapene gjør det dessuten egnet for miljøer med høy temperatur og spenning.

Produksjonen i Lely-prosessen resulterer i pulverform som kan slipes til moissanitt-edelstener for bruk som edelstener, mens produsenter også bruker det til produksjon av slipende gjenstander og produkter som krever hardhet.

Kilder

Silisiumkarbid (SiC), også kjent som karborundum /krbnm/, er en ekstremt hard forbindelse av silisium og karbon som dannes naturlig som mineralet moissanitt og har vært masseprodusert som slipemiddel siden slutten av 1800-tallet. Ved å binde SiC sammen til hard keramikk eller dope det med nitrogen, fosfor, beryllium eller aluminium kan man danne halvledere av enten n- eller p-typen.

Industrielt SiC produseres vanligvis gjennom Acheson-prosessen, der silikasand varmes opp med karbonkilder som petroleumskoks til høye temperaturer i en åpen ovn, noe som gir enten grønne eller svartfargede korn avhengig av renhetsgrad.

SiC er kjent for sin overlegne varmeledningsevne og korrosjonsbestandighet. Med lav termisk ekspansjonskoeffisient, høy styrke/hardhetsgrad, kjemisk stabilitet og enkel bearbeiding er det et førsteklasses råmateriale i mange industrielle anvendelser, for eksempel i høykvalitets ildfaste materialer, slipemidler og keramikk [16].

Behandling

Silisiumkarbid (SiC) er et teknisk keramisk materiale med unike egenskaper, blant annet kjemisk inertitet ved alle temperaturer, motstand mot termisk sjokk og høy sintringsevne. SiC brukes i en rekke tekniske keramiske applikasjoner, blant annet til produksjon av ovnsmøbler og væskehåndteringsutstyr samt lagre og slitedeler. SiC brukes også i dieselpartikkelfiltre og ballistisk beskyttelse. Washington Mills tilbyr utstyr for knusing, sliping og klassifisering som kan produsere råmaterialer som oppfyller ANSI-, FEPA- og JIS-standarder.

SiC-pulver kan variere i kornstørrelse avhengig av deres opprinnelige tilstand og karbonkilde. En populær fremstillingsprosess for SiC-syntese er gjennom karbon-termisk reduksjon; dette innebærer å reagere en blanding som inneholder en mol SiO2 mindre enn 200 mech med 1,5-3 mol karbonkilde; sur utvasking, oppvarming og reaksjon av den resulterende løsningen vil eliminere glasskarbon fra å bli produsert.

SiC-pulver produsert gjennom kvantitativ XRD-analyse analyseres videre ved hjelp av partikkelform, granulometrisk sammensetning og spesifikk overflateanalyse. Viktige egenskaper inkluderer partikkelform, granulometrisk sammensetning og spesifikk overflate. SiC-partiklene har vanligvis en flat, splintret struktur med defekte understrukturer som kjennetegnes av dislokasjonsgitter på kantene - en uønsket egenskap som kan ha negativ innvirkning på sintringsprosessene.

Kjennetegn

Silisiumkarbid har mange unike egenskaper som gjør at det kan brukes på tvers av ulike industriområder. Det er blant annet ekstremt hardt med en Mohs-hardhetsgrad på 9. I tillegg er materialet kjemisk inert og har stor slitestyrke, varmebestandighet opp til høye temperaturer, god strekkfasthet og lav termisk ekspansjonskoeffisient - egenskaper som til sammen gjør silisiumkarbid egnet for mange industrielle bruksområder.

Produksjonsprosessene for silisiumkarbid har en enorm innvirkning på egenskapene og bruksområdene. Edward Goodrich Acheson utviklet Acheson-prosessen, som går ut på å varme opp en blanding av kvartssand, petroleumskoks og treflis til ekstremt høye temperaturer for å forårsake kjemiske reaksjoner som produserer silisiumkarbidkrystaller - disse krystallene kan deretter knuses ned til pulver eller støpes i barrer for salg.

Dette slipepulveret brukes ofte i romfarts- og bilindustrien til honing og lapping av deler for å oppnå presise dimensjoner og glatte overflater, og det brukes også i keramikk, glassproduksjon og produksjon av stål og andre metaller. Alter Technology har laget en radiokrets av dette materialet som tåler de ekstreme forholdene i verdensrommet.

Bruksområder

Silisiumkarbidkeramikk er et enestående ikke-oksidmateriale med mange bruksområder på grunn av sin hardhet (Mohs-hardhet > 9), kjemiske inertitet, lave varmeutvidelseskoeffisient og motstand mot både varme og slag. Silisiumkarbid brukes som slitesterke deler i slipemidler eller slitesterke deler i ildfaste deler i ildfast keramikk samt i halvledere og elektriske applikasjoner på grunn av dets varmeledningsevne.

For å produsere SiC kombinerer produsentene først amorf silika med karbon ved høye temperaturer - vanligvis kullkoks som karbonkilde - før det finmales og blandes med små mengder bauksitt for å danne en preform. Deretter blir preformen ferdigbehandlet for enten nitrogendoping (n-type SiC) eller doping med bor, aluminium og gallium (p-type SiC), avhengig av ønsket bruksområde.

Produsentene bruker deretter denne preformen til å produsere kubisk silisiumkarbid enten ved hjelp av reaksjonsbinding eller kjemisk dampavsetning. Den vanligste metoden er reaksjonsbinding, som innebærer oppvarming til 1410 grader C og doping med nitrogen eller bor for å produsere n-type SiC. Kjemisk dampdeponering krever betydelig mer energi og utstyr, mens reaksjonsbinding krever mye mindre.

Ledende SiC-pulver av halvlederkvalitet er utviklet for å oppfylle de unike vekstbehovene til ulike metoder for dyrking av tredje generasjons ledende n-type enkeltkrystaller av silisiumkarbid. Denne typen pulver har en optimal partikkelstørrelsesfordeling med få hulrom, noe som gir produktrenhetsnivåer på over 6N.