Kako narediti silicijev karbid v prahu

Silicijev karbid, pogosteje imenovan karborundum, je trd kot diamant in zelo odporen proti obrabi. Poleg tega je zaradi svojih keramičnih lastnosti primeren za okolja z visoko temperaturo in napetostjo.

Rezultat proizvodnje po postopku Lely je prah, ki se lahko razreže v moissanitne dragulje za uporabo kot dragulji, proizvajalci pa ga uporabljajo tudi za izdelavo abrazivnih predmetov in izdelkov, ki zahtevajo trdoto.

Viri

Silicijev karbid (SiC), znan tudi kot karborundum /krbnm/, je izredno trda spojina silicija in ogljika, ki v naravi nastaja kot mineral moissanit, od konca 19. stoletja pa se množično proizvaja kot abraziv. Z lepljenjem SiC v trdo keramiko ali dopiranjem z dušikom, fosforjem, berilijem ali aluminijem lahko nastanejo polprevodniki n- ali p-tipa.

Industrijski SiC se običajno proizvaja z Achesonovim postopkom segrevanja kremenčevega peska z viri ogljika, kot je naftni koks, na visoke temperature v odprti peči, pri čemer nastanejo zelena ali črna zrna, odvisno od stopnje čistosti.

SiC je znan po svoji odlični toplotni prevodnosti in odpornosti proti koroziji. Zaradi nizkega koeficienta toplotnega raztezanja, visokega razmerja med trdnostjo in trdoto, kemične stabilnosti in enostavne obdelovalnosti je glavna surovina v številnih industrijskih aplikacijah, kot so visokokakovostni ognjevzdržni materiali/abrazivi/keramika [16].

Obdelava

Silicijev karbid (SiC) je tehnični keramični material z edinstvenimi lastnostmi, kot so kemična inertnost pri vseh temperaturah, odpornost na toplotne udarce in visoka sintranost. SiC se uporablja v različnih tehničnih keramičnih aplikacijah, vključno z izdelavo pohištva za peči in opreme za ravnanje s tekočinami ter ležajev in obrabnih delov. Dodatne uporabe SiC vključujejo filtre za trdne delce za dizelske motorje in balistično zaščito. Podjetje Washington Mills ponuja opremo za drobljenje, mletje in razvrščanje, s katero lahko proizvaja surovine, ki izpolnjujejo standarde ANSI, FEPA in JIS.

Velikost zrn v prahu SiC se lahko razlikuje glede na začetno stanje in vir ogljika. Priljubljen postopek priprave za sintezo SiC je toplotna redukcija z ogljikom; ta vključuje reakcijo zmesi, ki vsebuje en mol SiO2, manjši od 200 mech, z 1,5-3 moli vira ogljika; kislo luženje, segrevanje in reakcija nastale raztopine preprečijo nastanek steklenega ogljika.

SiC praški, pridobljeni s kvantitativno analizo XRD, se nadalje analizirajo z uporabo oblike delcev, granulometrične sestave in analize specifične površine. Pomembne značilnosti so oblika delcev, granulometrična sestava in specifična površina. Delci SiC imajo običajno ploske, razpokane strukture z okvarjenimi podstrukturami, za katere so značilne dislokacijske mreže na njihovih robovih - nezaželena lastnost, ki lahko negativno vpliva na postopke sintranja.

Značilnosti

Silicijev karbid ima številne edinstvene lastnosti, ki mu omogočajo uporabo na različnih industrijskih področjih. Predvsem je izredno trd, saj je njegova trdota po Mohsovi lestvici 9. Poleg tega je ta material kemično inerten in ima veliko odpornost proti obrabi, toplotno odpornost do visokih temperatur ter dobro natezno trdnost in nizek koeficient toplotnega raztezanja - vse to so lastnosti, zaradi katerih je silicijev karbid primeren za številne industrijske uporabe.

Postopki proizvodnje silicijevega karbida močno vplivajo na njegove lastnosti in uporabo. Edward Goodrich Acheson je razvil Achesonov postopek, ki vključuje segrevanje mešanice kremenčevega peska, naftnega koksa in lesnih sekancev na izredno visoke temperature, da se sprožijo kemične reakcije, pri katerih nastanejo kristali silicijevega karbida - te kristale je nato mogoče zdrobiti v prah ali jih vliti v ingote za prodajo.

Ta abrazivni prah se pogosto uporablja v letalski in avtomobilski industriji za honiranje in približevanje delov za doseganje natančnih dimenzij in gladkega zaključka, uporablja pa se tudi v keramiki, proizvodnji stekla ter proizvodnji jekla in drugih kovin. Podjetje Alter Technology je s tem materialom izdelalo radijsko vezje, ki lahko vzdrži ekstremne pogoje v vesolju.

Aplikacije

Keramika iz silicijevega karbida je zaradi svoje trdote (trdota po Mohsu > 9), kemične inertnosti, nizkega koeficienta toplotnega raztezanja ter odpornosti na vročino in udarce izjemen neoksidni material z različnimi možnostmi uporabe. Silicijev karbid se zaradi svojih lastnosti toplotne prevodnosti uporablja kot obrabno odporni deli v abrazivih ali obrabno odporni deli v ognjevzdržni keramiki ter v polprevodniških in električnih aplikacijah.

Za proizvodnjo SiC proizvajalci najprej pri visokih temperaturah združijo amorfni silicijev dioksid z ogljikom - običajno je vir ogljika premogov koks -, nato pa ga fino zmeljejo in zmešajo z majhnimi količinami boksita, da nastane predoblika. Nato se opravi doping z dušikom (n-tip SiC) ali z borom, aluminijem in galijem (p-tip SiC), odvisno od želene uporabe.

Proizvajalci nato uporabijo to predobliko za proizvodnjo kubičnega silicijevega karbida z reakcijskim povezovanjem ali kemičnim nanašanjem iz pare. Najpogosteje se uporablja povezovanje z reakcijo, ki vključuje segrevanje na 1410 stopinj C in dopiranje z dušikom ali borom za proizvodnjo n-tipa SiC. Kemično nanašanje iz hlapov zahteva bistveno več energije in opreme, povezovanje z reakcijo pa veliko manj.

Prevodni polprevodniški prah SiC je zasnovan tako, da izpolnjuje edinstvene rastne potrebe različnih metod za rast prevodnih monokristalov silicijevega karbida tretje generacije n-tipa. Ta vrsta prahu ima optimalno porazdelitev velikosti delcev z malo prazninami, kar zagotavlja stopnjo čistosti izdelka, ki presega 6N.