Hur man tillverkar kiselkarbidpulver

Kiselkarbid, mer känt som karborundum, är hårt som diamant och mycket slitstarkt. Dessutom gör dess keramiska egenskaper att den lämpar sig för miljöer med höga temperaturer och spänningar.

Lely-processens produktion resulterar i pulverform som kan skäras till moissanitstenar för användning som ädelstenar, medan tillverkare också använder det för tillverkning av slipande föremål och produkter som kräver hårdhet.

Källor

Kiselkarbid (SiC), även känd som karborundum /krbnm/, är en extremt hård förening av kisel och kol som bildas naturligt som mineralet moissanit och massproduceras som slipmedel sedan slutet av 1800-talet. Genom att binda samman SiC till hårda keramer eller dopa det med kväve, fosfor, beryllium eller aluminium kan halvledare av antingen n- eller p-typ bildas.

Industriell SiC produceras vanligtvis genom Acheson-processen, där kiselsand värms upp med kolkällor som petroleumkoks till höga temperaturer i en öppen ugn, vilket ger antingen gröna eller svartfärgade korn beroende på renhetsgrad.

SiC är känt för sin överlägsna värmeledningsförmåga och korrosionsbeständighet. Med låg värmeutvidgningskoefficient, hög hållfasthet/hårdhet, kemisk stabilitet och enkel bearbetning är det ett utmärkt råmaterial i många industriella tillämpningar, t.ex. högvärdiga eldfasta material, slipmedel och keramer [16].

Bearbetning

Kiselkarbid (SiC) är ett tekniskt keramiskt material med unika egenskaper som kemisk inerthet vid alla temperaturer, motståndskraft mot termisk chock och hög sintringsbarhet. SiC används i olika tekniska keramiska applikationer, bland annat för tillverkning av ugnsmöbler och utrustning för vätskehantering samt lager och slitdelar. Andra användningsområden för SiC är dieselpartikelfilter och ballistiska skydd. Washington Mills erbjuder utrustning för krossning, malning och klassificering som kan producera råmaterial som uppfyller ANSI-, FEPA- och JIS-standarder.

SiC-pulver kan variera i kornstorlek beroende på deras ursprungliga tillstånd och kolkälla. En populär beredningsprocess för SiC-syntes är genom kol-termisk reduktion; detta innebär att en blandning som innehåller en mol SiO2 mindre än 200 mech reagerar med 1,5-3 mol kolkälla; syrautlakning, uppvärmning och reaktion av den resulterande lösningen eliminerar glaskol från att produceras.

SiC-pulver som framställts genom kvantitativ XRD-analys analyseras vidare med hjälp av partikelform, granulometrisk sammansättning och specifik ytanalys. Viktiga egenskaper är bland annat partikelform, granulometrisk sammansättning och specifik yta. SiC-partiklar uppvisar vanligtvis platta, splittrade strukturer med defekta substrukturer som kännetecknas av dislokationsnät på sina kanter - en oönskad egenskap som kan ha en negativ inverkan på sintringsprocesser.

Egenskaper

Kiselkarbid har många unika egenskaper som gör att det kan användas inom olika industriella områden. Framför allt är det extremt hårt med en Mohs-hårdhetsgrad på 9. Dessutom är detta material kemiskt inert och erbjuder stor nötningsbeständighet, värmebeständighet upp till höga temperaturer och har god draghållfasthet och låg termisk expansionskoefficient - egenskaper som alla bidrar till att göra kiselkarbid lämplig för många industriella användningsområden.

Produktionsprocesser för kiselkarbid har en enorm effekt på dess egenskaper och användningsområden. Edward Goodrich Acheson utvecklade Acheson-processen, som innebär att en blandning av kvartssand, petroleumkoks och träflis upphettas till extremt höga temperaturer för att orsaka kemiska reaktioner som producerar kiselkarbidkristaller - dessa kristaller kan sedan krossas till pulver eller gjutas till göt för försäljning.

Detta slippulver används ofta inom flyg- och fordonsindustrin för honing och läppning av delar för att uppnå exakta dimensioner och släta ytor, men det används också inom keramik, glastillverkning och tillverkning av stål och andra metaller. Alter Technology skapade en radiokrets med hjälp av detta material som kan stå emot rymdens extrema förhållanden.

Tillämpningar

Kiselkarbidkeramik är ett enastående nonoxidmaterial med många användningsområden tack vare sin hårdhet (Mohs hårdhet > 9), kemiska inertitet, låga värmeutvidgningskoefficient och motståndskraft mot både värme och slag. Kiselkarbid används som slitstarka delar i slipmedel eller slitstarka delar i eldfasta keramiska produkter samt i halvledar- och elektriska applikationer på grund av dess värmeledningsförmåga.

För att producera SiC kombinerar tillverkarna först amorf kiseldioxid med kol vid höga temperaturer - vanligtvis kolkoks som kolkälla - innan de finmal och blandar med små mängder bauxit för att bilda en förform. Därefter sker dopning med antingen kväve (SiC av n-typ) eller bor, aluminium och gallium (SiC av p-typ), beroende på vilken applikation som önskas.

Tillverkarna använder sedan denna förform för att producera kubisk kiselkarbid genom antingen bindning genom reaktion eller kemisk ångdeposition. Att länka genom reaktion är det vanligaste tillvägagångssättet; detta innebär att man värmer upp den till 1410 degC och dopar den med kväve eller bor för att producera SiC av n-typ. Kemisk ångdeposition kräver betydligt mer energi och utrustning för sin process; länkning genom reaktion kräver mycket mindre.

Ledande SiC-pulver av halvledarkvalitet är utformat för att uppfylla de unika tillväxtbehoven hos olika metoder för att odla tredje generationens ledande enkristaller av kiselkarbid av n-typ. Denna typ av pulver har en optimal partikelstorleksfördelning med få hålrum och erbjuder produktrenhetsnivåer som överstiger 6N.