Jak se vyrábí karbid křemíku?

Karbid křemíku (SiC) je tvrdá chemická sloučenina tvořená křemíkem a uhlíkem, která se v přírodě vyskytuje jako drahokam moissanit a masově se vyrábí pro použití v abrazivech, metalurgických aplikacích a žáruvzdorných materiálech.

SiC je ideální pro šamotové cihly a další žáruvzdorné výrobky díky své odolnosti vůči vysokým teplotám a tepelným šokům, polovodivosti a atomární struktuře, která jej činí žáruvzdorným.

Chemické reakce

Karbid křemíku, častěji označovaný jako karborundum nebo SiC, je keramický materiál se strukturními i polovodičovými vlastnostmi. Díky své pevnosti, odolnosti vůči vysokým teplotám a chemické inertnosti i při zvýšených teplotách je SiC vynikajícím materiálem pro brusné materiály, metalurgii a žáruvzdorné aplikace; navíc se díky svým vlastnostem podobným polovodičům dobře hodí pro výkonná zařízení pracující při teplotách, které běžné polovodiče nedokážou udržet.

SiC lze vyrábět různými výrobními technikami, z nichž každá nabízí odlišné výhody pro konkrétní aplikace. Například Achesonův proces nabízí komplexní tvary s vysokou pevností, proces reakčně vázaného karbidu křemíku (RBSC) poskytuje vysokou čistotu, zatímco chemické napařování nabízí možnost vytvářet ultračisté povlaky.

Při komerční výrobě karbidu křemíku se obvykle používá proces v elektrické peci s nízkopopelnatým ropným koksem jako zdrojem uhlíku, který se před tříděním a chemickou úpravou třídí a upravuje tak, aby splňoval specifické výkonnostní charakteristiky.

Křemík a uhlík chemicky reagují v surovinách za vzniku polytypů nebo stohového uspořádání prvků, přičemž jedním z nejoblíbenějších polytypů je kubický karbid křemíku (a-SiC) s tvrdostí podle Mohse 9. I když se suroviny tohoto druhu mohou těžit jako zdroje nerostných surovin, nejčastěji se vyrábějí kombinovanými procesy: reakčním spojováním a slinováním.

Reakční vazba je proces, při kterém se směs mletého křemičitého písku a uhlíku ve formě nízkopopelnatého ropného koksu kombinuje a vytváří kolem elektrické odporové pece prostřednictvím reakční vazby. Vodičem pak prochází elektrický proud, který spustí chemickou reakci a vytvoří válcový ingot a-SiC i b-SiC; případný nezreagovaný a-SiC zůstává na povrchu ingotu. Poté se přidá kapalný křemík, který spojí původně oddělené krystaly do jedné souvislé struktury krychlových krystalů SiC, která je vhodná pro většinu průmyslových použití; někdy může dojít k dalšímu zpracování, aby se získal materiál metalurgické kvality.

Vytápění

Karbid křemíku (SiC) je anorganická chemická sloučenina složená z uhlíku a křemíku, která se v přírodě vyskytuje jako vzácný minerál moissanit; od roku 1893 se však vyrábí také synteticky ve formě prášku, který se používá jako brusivo. Karbid křemíku se může pochlubit nejtvrdším syntetickým materiálem, který je na Mohsově stupnici tvrdosti zařazen mezi oxid hlinitý a diamant, a díky své tepelné vodivosti, nízké tepelné roztažnosti a chemické inertnosti je velmi vhodný pro průmyslové žáruvzdorné aplikace, jako jsou například pecní cihly.

Výroba SiC metalurgické kvality se obvykle provádí Achesonovým procesem, který spočívá ve smíchání surovin, jako je křemenný písek (křemičitý písek), s ropným koksem nebo antracitovým uhlím v elektrické obloukové peci zahřáté na teplotu přibližně 2600 °C. V rámci tohoto procesu zahřívání se oxid křemičitý (SiO2) redukuje a mění na SiC a další sloučeniny nazývané metalurgické křemičitany, které se později opět rozemelou na černý nebo zelený karbid křemíku, v závislosti na jejich kvalitě.

Výroba karbidu křemíku touto technikou přináší vysokou výtěžnost, a to až 11,3 tuny černého karbidu křemíku na jednu vsázku do pece. Nicméně vyšší čistotu SiC lze získat dražšími metodami, jako je Lelyho proces.

Karbid křemíku se vyskytuje v různých polymorfních formách, z nichž každá má odlišné charakteristiky a vlastnosti. Například karbid křemíku alfa (a-SiC) má hexagonální krystalovou strukturu podobnou wurtzitu, zatímco beta modifikovaný b-SiC obsahuje krystalovou strukturu zinc blende podobnou diamantu.

Bez ohledu na polymorf mají všechny formy karbidu křemíku podobnou vrstevnatou strukturu obsahující atomy křemíku a uhlíku vázané v tetraedrické konfiguraci. SiC se od karbidu bóru liší tím, že na každý atom křemíku v jeho struktuře připadají tři atomy uhlíku - na rozdíl od kosočtverečné struktury, která dává karbidu bóru lepší mechanické vlastnosti a větší komerční životaschopnost; proto se a-SiC pyšnil lepšími mechanickými vlastnostmi a stal se dominantním, dokud se neobjevil b-SiC, který je rozpustnější.

Sušení

Karbid křemíku je extrémně tvrdý krystalický materiál s mnoha průmyslovými aplikacemi. Především se běžně používá jako brusivo v brusných kotoučích, řezných nástrojích a smirkových papírech díky své velmi vysoké pevnosti a tvrdosti; další využití však zahrnuje elektrické izolátory, žáruvzdorné materiály a keramiku - díky své nízké tepelné roztažnosti je ideálním materiálem pro použití v prostředí s vysokou teplotou - i když se často pokrývá oxidem hlinitým, aby se jeho životnost ještě prodloužila.

Výroba karbidu křemíku začíná nejprve zahříváním surového oxidu křemičitého a uhlíku v elektrické peci, dokud se jejich sloučeniny nespojí za vzniku oxidu křemičitého a oxidu uhelnatého, a poté se několik dní suší v inertní atmosféře při teplotách v rozmezí 1 400 až 2 700 °C - tím se účinně odstraní nečistoty a vznikne téměř čistý ingot karbidu křemíku.

Kvalifikovaní pracovníci pak tento ingot třídí a klasifikují do různých velikostí, tvarů a chemických složení, které vyhovují různým aplikacím. Jakmile jej kvalifikovaní pracovníci roztřídí a klasifikují, může být dále zpracován pro použití v průmyslových odvětvích, jako jsou brusiva, metalurgie a žáruvzdorné materiály, a po přidání dopantů do polovodičových výrobků.

Přidáním dopantů do ingotu může vzniknout více polytypů s odlišnými fyzikálními a elektrickými vlastnostmi. Bór a hliník vytvoří z křemíku polovodič typu p, zatímco dusík a fosfor polovodič typu n.

Výroba čistého karbidu křemíku vyžaduje složitý a pečlivý proces, který vyžaduje precizní pozornost v každém kroku. Žáruvzdorné materiály vyráběné z karbidu křemíku pro použití v brusném, metalurgickém a žáruvzdorném průmyslu mají často jedinečné specifikace, jako je velikost zrn, typ pojiva, úroveň čistoty, úroveň hustoty a požadavky na pórovitost. Náš tým společnosti Washington Mills bude ochotně spolupracovat se zákazníky, aby porozuměl jejich individuálním požadavkům a zároveň prozkoumal všechny možnosti s produkty CARBOREX.

Spékání

S karbidem křemíku lze obtížně pracovat a brousit jej, což vyžaduje diamantové nebo ultrazvukové nástroje pro řezání nebo broušení. Jeho jemný povrch navíc vyžaduje opatrné zacházení, aby nedocházelo k odlupování nebo odštípnutí; díky své odolnosti totiž dobře odolává velmi vysokým teplotám v pecích nebo pecích.

Achesonův proces. Karbid křemíku lze tímto postupem vytvořit smícháním křemičitého písku s uhlíkatým koksem za vzniku zelené nebo černé pevné látky, kterou lze následně rozemlít na jemný prášek a smíchat s dalšími složkami za vzniku plastifikátoru, což umožní spojení atomů oxidu křemičitého a uhlíku a následné formování pomocí forem před infiltrací kapalným křemíkem za vzniku reakčně spojeného materiálu neboli slinutého materiálu.

Slinutý karbid křemíku se vyznačuje vyšší čistotou než reakčně pojený, snadněji se obrábí a tvaruje a má vynikající odolnost proti korozi, opotřebení a tepelným šokům - vydrží teploty až 1600 °C, aniž by podléhal oxidaci nebo chemickému napadení. Díky těmto vlastnostem se používá v široké škále průmyslových aplikací.

Technologie spékání se hojně využívá v pokročilých elektronických aplikacích. Za tímto účelem se spékáním vyrábějí velké monokrystalické boule, které se následně řežou na destičky pro použití v polovodičových zařízeních. Někdy mohou být čisté materiály smíchány s bórem nebo hliníkem pro zvýšení tvrdosti a kalitelnosti.

Spékáním lze vytvořit vysoce pevnou keramiku, která je odolná proti praskání. Tento typ keramiky je nejen odolný vůči vysokým teplotám, ale je také vysoce žáruvzdorný vůči chemikáliím, jako jsou kyseliny sírová a fluorovodíková; odtud název slinutý a-SiC. Tvrdost, tuhost, tepelná vodivost a tvrdost karbidu křemíku jej činí žádoucím i jako materiál zrcadel astronomických dalekohledů; na rozdíl od mnoha jiných materiálů zrcadel zůstává stabilní při teplotních změnách, aniž by se deformoval pod vlastní vahou, což mu umožňuje nahradit sklo v různých modelech dalekohledů od malých ručních modelů až po obrovské kosmické observatoře.