كيف يُصنع كربيد السيليكون؟

كربيد السيليكون (SiC) هو مركب كيميائي صلب يتكون من السيليكون والكربون، ويوجد بشكل طبيعي في الأحجار الكريمة المويسانيت ويُنتج على نطاق واسع لاستخدامه في المواد الكاشطة والتطبيقات المعدنية والحراريات.

يعتبر SiC مثاليًا لطوب الحريق والمنتجات الحرارية الأخرى بسبب مقاومته لدرجات الحرارة العالية والصدمات الحرارية، وطبيعته شبه الموصلة وبنيته الذرية التي تجعله مقاومًا للحرارة.

التفاعلات الكيميائية

كربيد السيليكون، الذي يشار إليه بشكل أكثر شيوعًا باسم كربوروندوم أو SiC، هو مادة خزفية ذات خصائص هيكلية وأشباه موصلات. وبفضل قوتها ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية وخمولها الكيميائي حتى في درجات الحرارة المرتفعة، فإن كربيد السيليكون مادة ممتازة في تطبيقات المواد الكاشطة والمعادن والحراريات؛ بالإضافة إلى ذلك، فإن خصائصها الشبيهة بأشباه الموصلات تجعلها مناسبة تمامًا للأجهزة عالية الطاقة التي تعمل في درجات حرارة لا تستطيع أشباه الموصلات التقليدية تحملها.

يمكن إنتاج كربيد السيليكون باستخدام تقنيات إنتاج مختلفة، تقدم كل منها مزايا متميزة لتطبيقات محددة. على سبيل المثال، توفر عملية Acheson أشكالاً معقدة عالية القوة؛ وتوفر عملية كربيد السيليكون المرتبط بالتفاعل (RBSC) درجة نقاء عالية؛ بينما يوفر ترسيب البخار الكيميائي إمكانية إنشاء طلاءات فائقة النقاء.

يستخدم إنتاج كربيد السيليكون التجاري عادةً عملية الفرن الكهربائي مع فحم الكوك البترولي منخفض الرماد كمصدر للكربون، قبل أن يتم سحقه وطحنه قبل فرزه ومعالجته كيميائيًا لتلبية خصائص أداء محددة.

يتفاعل السيليكون والكربون كيميائياً في المواد الخام لتكوين أنواع متعددة أو ترتيبات تكديس العناصر، حيث يعتبر كربيد السيليكون المكعب (a-SiC) أحد أكثر الأنواع المتعددة شيوعاً بصلابة موس 9. وفي حين أنه يمكن استخراج المعادن الخام من هذا النوع كمصادر معدنية خام، إلا أنه غالباً ما يتم إنتاجه من خلال عمليات مركبة: الترابط التفاعلي والتلبيد.

إن عملية الربط التفاعلي هي عملية يتم فيها دمج خليط من رمل السيليكا المطحون والكربون في شكل فحم الكوك البترولي منخفض الرماد، ويتم بناؤه حول فرن مقاوم كهربائي عن طريق الربط التفاعلي. ثم يتم تمرير تيار كهربائي من خلال موصل، مما يؤدي إلى تفاعل كيميائي وإنتاج سبيكة أسطوانية من كل من السيليكون السيليكوني-أ والسيليكون السيليكوني-ب؛ ويبقى أي سيليكون سيليكوني-أ غير متفاعل على سطح السبيكة. ثم تتم إضافة السيليكون السائل، مما يؤدي إلى ربط البلورات المنفصلة في البداية معًا في بنية واحدة متصلة من بلورات سيكل كلوريد السيليكون المكعبة المناسبة لمعظم الاستخدامات الصناعية؛ وقد تحدث أحيانًا معالجة إضافية لإنتاج مادة من الدرجة المعدنية.

التدفئة

كربيد السليكون (SiC) هو مركب كيميائي غير عضوي يتكون من الكربون والسيليكون الذي يوجد بشكل طبيعي كمعدن المويسانيت النادر؛ ومع ذلك، فمنذ عام 1893 تم تصنيعه أيضاً صناعياً كشكل مسحوق لاستخدامه كمادة كاشطة. ويتميز كربيد السيليكون بتصنيف المادة الاصطناعية الأكثر صلابة بين الألومينا (أكسيد الألومنيوم) والماس على مقياس صلابة مقياس موس، كما أن توصيله الحراري ومعدلات تمدده الحراري المنخفضة وخموله الكيميائي يجعله مناسبًا للغاية للتطبيقات الصناعية المقاومة للحرارة مثل طوب الأفران.

وعادةً ما يتم إنتاج كربيد السيليكون من الدرجة المعدنية من خلال عملية أتشيسون، والتي تستلزم خلط المواد الخام مثل رمل الكوارتز (رمل السيليكا) مع فحم الكوك البترولي أو فحم الأنثراسايت في فرن القوس الكهربائي الذي يتم تسخينه إلى حوالي 2600 درجة مئوية. كجزء من عملية التسخين هذه، يتم اختزال ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) وتغييره إلى سيليكات السيليكون ومركبات أخرى تسمى السيليكات المعدنية التي يتم طحنها مرة أخرى في وقت لاحق إلى كربيد السيليكون الأسود أو الأخضر، اعتمادًا على جودتها.

ويؤدي إنتاج كربيد السيليكون باستخدام هذه التقنية إلى إنتاجية عالية، حيث ينتج ما يصل إلى 11.3 طن لكل شحنة فرن من كربيد السيليكون الأسود. ومع ذلك، يمكن الحصول على كربيد السيليكون عالي النقاء باستخدام طرق أكثر تكلفة مثل عملية ليلي.

يوجد كربيد السيليكون في أشكال أو أشكال مختلفة متعددة الأشكال، ولكل منها خصائص وخصائص مميزة. على سبيل المثال، يحتوي كربيد السيليكون ألفا (a-SiC) على بنية بلورية سداسية الشكل تشبه الورتزيت بينما يحتوي كربيد السيليكون المعدل بيتا b-SiC على بنية بلورية من الزنك بللوري يشبه الماس.

وبغض النظر عن تعدد أشكاله، تشترك جميع أشكال كربيد السيليكون في بنية متشابهة متعددة الطبقات تحتوي على ذرات السيليكون والكربون المرتبطة معًا في تكوين رباعي الأوجه. ويتميز كربيد السيليكون عن كربيد البورون بوجود ثلاث ذرات كربون لكل ذرة سيليكون في بنيته - على عكس البنية الشبيهة بالماس التي تعطي كربيد البورون خصائصه الميكانيكية المتفوقة وجدوى تجارية أكبر؛ وبالتالي كان كربيد السيليكون من النوع أ-سيكل يتميز بخصائص ميكانيكية متفوقة، وأصبح مهيمناً حتى ظهور كربيد السيليكون من النوع ب، وأصبح أكثر قابلية للذوبان.

التجفيف

كربيد السيليكون هو مادة بلورية شديدة الصلابة ذات استخدامات صناعية متعددة. وعلى وجه الخصوص، يتم استخدامه عادةً كمادة كاشطة في عجلات الطحن وأدوات القطع وورق الصنفرة نظرًا لقوته وصلابته العالية جدًا؛ ومع ذلك، تشمل الاستخدامات الأخرى العوازل الكهربائية والحراريات والسيراميك - خصائص التمدد الحراري المنخفضة التي تجعلها المادة المثالية للاستخدام في البيئات ذات درجات الحرارة العالية - على الرغم من أنها غالبًا ما تكون مطلية بأكسيد الألومنيوم لإطالة عمرها أكثر.

يبدأ إنتاج كربيد السيليكون عن طريق تسخين السيليكا الخام والكربون أولاً في فرن كهربائي حتى تتحد مركباتهما لإنتاج ثاني أكسيد السيليكون وغاز أول أكسيد الكربون، ثم التجفيف في جو خامل لعدة أيام في درجات حرارة تتراوح بين 1400 و2700 درجة مئوية - وهذا يسمح بإزالة الشوائب بشكل فعال تاركاً وراءه سبيكة كربيد السيليكون النقية تقريباً.

ثم يقوم العمال المهرة بعد ذلك بفرز هذه السبائك وتصنيفها إلى أحجام وأشكال وتركيبات كيميائية مختلفة تلبي مختلف التطبيقات. وبمجرد فرزها وتصنيفها من قبل العمال المهرة، يمكن بعد ذلك معالجتها لاستخدامها في صناعات مثل المواد الكاشطة والمعادن والحراريات وكذلك لتصبح مواد مخدرة لمنتجات إنتاج أشباه الموصلات عند إضافة المواد المخدرة إليها.

يمكن للمواد المخدرة المضافة إلى سبيكة أن تنتج عدة أنواع من أشباه الموصلات ذات خواص فيزيائية وكهربائية متميزة. ويؤدي البورون والألومنيوم إلى تحويل السيليكون إلى شبه موصل من النوع p، بينما ينتج النيتروجين والفوسفور أشباه موصلات من النوع n.

يتطلب إنتاج كربيد السيليكون النقي عملية معقدة ودقيقة تتطلب اهتمامًا دقيقًا بكل خطوة. وغالبًا ما يكون للحراريات المنتجة من كربيد السيليكون للاستخدام في الصناعات الكاشطة والمعدنية والحرارية مواصفات فريدة مثل أحجام الحبيبات وأنواع المواد الرابطة ومستوى النقاء ومستوى الكثافة ومتطلبات المسامية. سيعمل فريق مطاحن واشنطن بكل سرور مع العملاء لفهم متطلباتهم الفردية أثناء استكشاف جميع الاحتمالات مع منتجات كاربوريكس.

التلبيد

قد يكون من الصعب التعامل مع كربيد السيليكون وطحنه، مما يتطلب أدوات ماسية أو فوق صوتية لعمليات القطع أو الطحن. وعلاوة على ذلك، يتطلب سطحه الرقيق معالجة دقيقة لتجنب تقشره أو تقطيعه؛ حيث أن متانته تسمح له بتحمل درجات الحرارة العالية جدًا بشكل جيد في الأفران أو القمائن.

عملية أتشيسون. يمكن تكوين كربيد السيليكون باستخدام هذه العملية عن طريق خلط رمل السيليكا مع فحم الكوك المسحوق بالكربون من أجل تكوين مادة صلبة خضراء أو سوداء يمكن طحنها بعد ذلك لتكوين مسحوق ناعم وخلطها مع مكونات أخرى لتكوين مادة ملدنة، مما يتيح لثاني أكسيد السيليكون وذرات الكربون أن تترابط معًا ثم تشكيلها باستخدام قوالب قبل أن تتسلل مع السيليكون السائل لإنتاج مادة مترابطة تفاعلية أو مادة متكلسة.

يمتاز كربيد السيليكون الملبد بنقاوة أعلى من كربيد السيليكون المرتبط بالتفاعل، وهو أسهل في الماكينة والتشكيل، ويتميز بمقاومة ممتازة للتآكل والتآكل والصدمات الحرارية - فهو قادر على تحمل درجات حرارة تصل إلى 1600 درجة مئوية دون الخضوع للأكسدة أو الهجوم الكيميائي. ونتيجة لذلك يتم استخدامه في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية بسبب هذه السمات.

تُستخدم تقنية التلبيد على نطاق واسع في التطبيقات الإلكترونية المتقدمة. ولهذا الغرض، يتم إنتاج كريات بلورية مفردة كبيرة من خلال عملية التلبيد ثم يتم تقطيعها إلى رقائق لاستخدامها في أجهزة أشباه الموصلات. وفي بعض الأحيان قد يتم خلط المواد النقية مع البورون أو الألومنيوم لزيادة الصلابة والتصلب.

يمكن للتلبيد أن ينتج سيراميك عالي القوة ومقاوم للتشقق. هذا النوع من السيراميك ليس فقط مقاومًا لدرجات الحرارة المرتفعة ولكنه أيضًا مقاوم للغاية للمواد الكيميائية مثل أحماض الكبريتيك والهيدروفلوريك؛ ومن هنا جاءت تسميته "متكلس a-SiC". كما أن صلابة كربيد السيليكون وصلابته وتوصيله الحراري وصلابته تجعله مرغوباً فيه كمادة مرآة تلسكوب فلكي؛ وعلى عكس العديد من مواد المرايا الأخرى، فإنه يظل ثابتاً أثناء التحولات في درجات الحرارة دون أن يتشوه تحت ثقله مما يسمح له بأن يحل محل الزجاج في مختلف نماذج التلسكوبات بدءاً من النماذج الصغيرة المحمولة باليد وحتى المراصد الفضائية الضخمة.