Jak wytwarzać proszki węglika krzemu

Węglik krzemu, częściej nazywany karborundem, jest twardy jak diament i wysoce odporny na zużycie. Co więcej, jego właściwości ceramiczne sprawiają, że nadaje się do środowisk o wysokiej temperaturze i napięciu.

W wyniku produkcji w procesie Lely uzyskuje się proszek, który można pociąć na kamienie moissanitowe do użytku jako kamienie szlachetne, a producenci wykorzystują go również do produkcji elementów ściernych i produktów wymagających twardości.

Źródła

Węglik krzemu (SiC), znany również jako karborund /krbnm/, to niezwykle twardy związek krzemu i węgla, który występuje naturalnie jako minerał moissanit i jest masowo produkowany jako materiał ścierny od końca XIX wieku. Łączenie SiC w twardą ceramikę lub domieszkowanie go azotem, fosforem, berylem lub aluminium może tworzyć półprzewodniki typu n lub p.

Przemysłowy SiC jest zwykle wytwarzany w procesie Achesona polegającym na podgrzewaniu piasku krzemionkowego ze źródłami węgla, takimi jak koks naftowy, do wysokich temperatur w otwartym piecu, uzyskując zielone lub czarne ziarna w zależności od ich poziomu czystości.

SiC jest znany z doskonałej przewodności cieplnej i odporności na korozję. Dzięki niskiemu współczynnikowi rozszerzalności cieplnej, wysokiemu stosunkowi wytrzymałości do twardości, stabilności chemicznej i łatwości obróbki służy jako główny surowiec w wielu zastosowaniach przemysłowych, takich jak wysokiej jakości materiały ogniotrwałe / materiały ścierne / ceramika [16].

Przetwarzanie

Węglik krzemu (SiC) to techniczny materiał ceramiczny o wyjątkowych właściwościach, w tym obojętności chemicznej we wszystkich temperaturach, odporności na szok termiczny i wysokiej spiekalności. SiC jest wykorzystywany w różnych technicznych zastosowaniach ceramicznych, w tym w produkcji mebli do pieców i urządzeń do transportu płynów, a także łożysk i części zużywających się. Dodatkowe zastosowania SiC obejmują filtry cząstek stałych do silników wysokoprężnych i ochronę balistyczną. Washington Mills oferuje sprzęt do kruszenia, mielenia i klasyfikowania zdolny do produkcji surowców spełniających normy ANSI, FEPA i JIS.

Proszki SiC mogą różnić się wielkością ziarna w zależności od ich stanu początkowego i źródła węgla. Popularnym procesem przygotowawczym do syntezy SiC jest redukcja węglowo-termiczna; obejmuje ona reakcję mieszaniny zawierającej jeden mol SiO2 mniej niż 200 mech z 1,5-3 molami źródła węgla; ługowanie kwasem, ogrzewanie i reakcja powstałego roztworu wyeliminuje węgiel szklisty z produkcji.

Proszki SiC wytworzone za pomocą analizy ilościowej XRD są dalej analizowane przy użyciu analizy kształtu cząstek, składu granulometrycznego i powierzchni właściwej. Ważne cechy obejmują kształt cząstek, skład granulometryczny i powierzchnię właściwą. Cząstki SiC zazwyczaj wykazują płaskie, odłamkowe struktury z wadliwymi podstrukturami charakteryzującymi się siatkami dyslokacji na ich obrzeżach - jest to niepożądana cecha, która może mieć negatywny wpływ na procesy spiekania.

Charakterystyka

Węglik krzemu oferuje wiele unikalnych właściwości, które pozwalają na jego zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłu. W szczególności, jest on niezwykle twardy, a jego twardość w skali Mohsa wynosi 9. Ponadto, materiał ten jest chemicznie obojętny i oferuje doskonałą odporność na ścieranie, odporność na ciepło do wysokich temperatur oraz dobrą wytrzymałość na rozciąganie i niski współczynnik rozszerzalności cieplnej - wszystkie te cechy sprawiają, że węglik krzemu nadaje się do wielu zastosowań przemysłowych.

Procesy produkcji węglika krzemu mają ogromny wpływ na jego właściwości i zastosowania. Edward Goodrich Acheson opracował proces Achesona, który polega na podgrzewaniu mieszaniny piasku kwarcowego, koksu naftowego i wiórów drzewnych do ekstremalnie wysokich temperatur w celu wywołania reakcji chemicznych, w wyniku których powstają kryształy węglika krzemu - kryształy te można następnie rozdrobnić na proszek lub odlać we wlewki na sprzedaż.

Ten proszek ścierny jest powszechnie stosowany w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym do honowania i docierania części w celu uzyskania precyzyjnych wymiarów i gładkich wykończeń, a także znajduje zastosowanie w ceramice, produkcji szkła oraz produkcji stali i innych metali. Firma Alter Technology stworzyła obwód radiowy wykorzystujący ten materiał, który może wytrzymać ekstremalne warunki panujące w przestrzeni kosmicznej.

Zastosowania

Ceramika z węglika krzemu jest wyjątkowym materiałem nietlenkowym o różnych zastosowaniach ze względu na swoją twardość (twardość w skali Mohsa > 9), obojętność chemiczną, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz odporność na ciepło i uderzenia. Węglik krzemu znajduje zastosowanie jako części odporne na zużycie w materiałach ściernych lub części odporne na zużycie w ceramice ogniotrwałej, a także w zastosowaniach półprzewodnikowych i elektrycznych ze względu na jego właściwości przewodnictwa cieplnego.

Aby wyprodukować SiC, producenci najpierw łączą amorficzną krzemionkę z węglem w wysokich temperaturach - zwykle koksem węglowym jako źródłem węgla - przed drobnym mieleniem i mieszaniem z niewielkimi ilościami boksytu w celu utworzenia preformy. Następnie, w zależności od pożądanego zastosowania, przeprowadza się proces domieszkowania azotem (SiC typu n) lub borem, aluminium i galem (SiC typu p).

Producenci następnie wykorzystują tę preformę do produkcji sześciennego węglika krzemu poprzez łączenie przez reakcję lub chemiczne osadzanie z fazy gazowej. Łączenie przez reakcję jest częściej stosowanym podejściem; polega ono na podgrzaniu go do 1410 stopni Celsjusza i domieszkowaniu azotem lub borem w celu wytworzenia SiC typu n. Chemiczne osadzanie z fazy gazowej wymaga znacznie więcej energii i sprzętu; łączenie przez reakcję wymaga znacznie mniej.

Przewodzący proszek SiC klasy półprzewodnikowej został zaprojektowany w celu spełnienia unikalnych potrzeb wzrostu różnych metod wzrostu przewodzących monokryształów węglika krzemu typu n trzeciej generacji. Ten rodzaj proszku ma optymalny rozkład wielkości cząstek z niewielką ilością pustych przestrzeni, oferując poziom czystości produktu przekraczający 6N.