Co je karbid křemíku?

Karbid křemíku je tvrdá a kovalentně vázaná sloučenina křemíku a uhlíku, která se často vyrábí jako prášek nebo pevná hmota pro aplikace vyžadující vysokou odolnost, jako jsou automobilové brzdy, spojky a keramické desky používané v neprůstřelných vestách.

Molární hmotnost se vypočítává na základě vzorce a prvků periodické tabulky prvků a vyjadřuje jejich relativní hmotnost, což se často používá při výrobě drahých kamenů.

1. Atomová hmotnost

Karbid křemíku (označovaný také jako karborundum) je anorganická chemická sloučenina složená z pevného křemíku a uhlíku. Poprvé byl vyroben v roce 1891 Edwardem Goodrichem Achesonem zahříváním jílu (křemičitanu hlinitého) a práškového koksu (uhlíku). Po výrobě krystalizuje jako žluté až zelené až modročerné nekovové krystaly se sublimujícím rozkladem při teplotě 2700 °C; jeho hustota je 3,21 g cm-3 a zůstává nerozpustný ve vodě, zatímco je rozpustný v alkáliích nebo železe.

Z komerčního hlediska se nejčastěji vyrábějí granulované výrobky ze slinutého oxidu křemičitého, které se používají jako brusivo nebo jako surovina pro průmyslové pece. Stupeň 9 Mohsovy stupnice označuje jeho extrémně tvrdé složení jako mimořádně tvrdého materiálu, který vykazuje vynikající tavné vlastnosti s nízkou tepelnou roztažností, vynikající vlastnosti elektrické vodivosti jako polovodičový polovodič, silnou odolnost proti korozi a otěru s vynikající únavovou odolností a silnou odolností proti nárazu.

Karbid křemíku se jako jedno z původních hromadně vyráběných brusiv v roce 1893 již dlouho používá jako účinné brusivo. Díky své tvrdosti se hojně používá v řezných nástrojích a keramických deskách neprůstřelných vest; používá se i v elektronických aplikacích, jako jsou světelné diody a detektory, které se nacházejí v raných rádiích. Přirozeně se vyskytující moissanit lze nalézt také v některých nalezištích meteoritů nebo korundu, ale většina dnes prodávaného karbidu křemíku je vyráběna synteticky.

Azbestový prach má nízký toxikologický profil a při vdechování lidmi by neměl představovat významnou zdravotní hrozbu, i když u některých exponovaných pracovníků může vyvolat podráždění a respirační příznaky; bylo dokonce zjištěno, že mění případy inhalační tuberkulózy; není však známo, že by byl mutagenní; mění průběh bronchitidy, ale ne astmatu nebo chronické obstrukční plicní nemoci, a nevyžaduje zvláštní metody likvidace ani žádné zvláštní podmínky skladování (musí však zůstat suchý, pokud je skladován mimo dosah vody), což vyžaduje správné skladování, pokud nemá přijít do přímého kontaktu s vodou;

2. Hustota

Karbid křemíku je tvrdá chemická sloučenina křemíku a uhlíku, která se v přírodě vyskytuje jako velmi vzácný minerál moissanit, ale od roku 1893 se masově vyrábí jako brusivo. Kromě toho lze tuto tvrdou látku pomocí technologie spékání spojovat a vytvářet z ní tvrdou keramiku pro vysoce odolné aplikace, jako jsou brzdové kotouče automobilů nebo neprůstřelné vesty; z tohoto materiálu se také vyrábějí řezné nástroje a další zařízení určená k odolávání extrémním teplotám.

Atomová struktura karbidu křemíku je těsně uspořádaná, přičemž každý atom křemíku a uhlíku je kovalentně vázán na tři další atomy pomocí kovalentních vazeb. Toto uspořádání vytváří zajímavý polovodič se zajímavými elektrickými vlastnostmi; odpor se v různých složeních liší až o sedm řádů. Karbid křemíku je nehořlavý a nereaktivní; je však rozpustný v zásadách, jako je NaOH/KOH, a také v železe; zůstává však nerozpustný ve vodě.

Karbid křemíku má molekulovou hmotnost 3,21 g cm-3 a vyskytuje se jako tmavě šedá až černá krystalická látka s lesklým povrchem, nízkou tepelnou roztažností a vynikajícími vodivostními vlastnostmi. Má teplotu tání 2700 °C a lze jej snadno tavit.

Díky svému hustému složení a klíčovým vlastnostem lze epoxidové pryskyřice využít v mnoha náročných aplikacích. Mezi běžné příklady patří 3D tisk, energetické technologie, výroba papíru a jako brusivo. Dále lze epoxidové pryskyřice využít v dynamické těsnicí technice využívající třecí ložiska nebo mechanické ucpávky (u čerpadel nebo pohonných systémů).

Karbid křemíku má díky svému hustému složení a schopnosti odolávat extrémním teplotám mnoho aplikací. Jeho tepelná roztažnost je obecně nižší než u většiny kovů, což umožňuje jeho použití ve velmi horkém prostředí. Kromě toho jej lze díky jeho pevnosti použít i pro výrobu těžkých průmyslových zařízení a strojů. Existují toxikologicky bezpečné metody likvidace - prach vznikající při obrábění nebo broušení však může dráždit oči nebo dýchací ústrojí, zatímco dlouhodobá expozice může vést k fibróze plic.

3. Specifická hmotnost

Karbid křemíku má specifickou hmotnost 3,2 g/cm3. Vyznačuje se vysokou teplotou sublimace a nepropustností za normálního tlaku, takže je vhodný pro ložiskové aplikace při zvýšených teplotách. Díky vysoké teplotě tání a vynikajícím pevnostním vlastnostem se s oblibou používají odlévací materiály z karbidu křemíku. Kromě toho se karbid křemíku může pochlubit také vynikající tepelnou vodivostí i průraznou pevností v elektrickém poli, takže je vhodný jako polovodičový materiál.

Edward Acheson jako první vědec uměle syntetizoval karbid křemíku v roce 1891 zahříváním směsi jílu a práškového koksu v železné misce za použití obyčejného uhlíkového obloukového světla jako elektrody. Acheson poté objevil jasně zelené krystaly se značnou tvrdostí připomínající diamant; Acheson této nové sloučenině přezdíval karborundum kvůli její podobnosti s přírodními formami oxidu hlinitého známými jako ložiska minerálu korund.

Od komerční výroby Achesonovou metodou v roce 1904 se krystaly karbidu křemíku vyrábějí komerčně různými postupy. Například jeho rozpouštěním v roztaveném hliníku lze získat oxid hlinitý, zatímco zahřívání oxidu křemičitého s uhlíkem v elektrické peci vedlo k zahřívání oxidu křemičitého, dokud nedojde ke srážení uhlíku, a jeho následnému rozemletí na prášek pro průmyslové použití jako brusiva.

Karbid křemíku se rychle stal jedním z nejčastěji používaných materiálů. Slouží jako nedílná součást brusných kotoučů a dalších brusných výrobků, jako jsou papírové a látkové výrobky s brusivem, výroba vysokoteplotních cihel a žáruvzdorných materiálů, s tvrdostí srovnatelnou s diamantem. Kromě toho se díky svým lomovým vlastnostem dobře hodí pro vysokopevnostní obrábění.

Karbid křemíku krystalizuje do extrémně těsné struktury složené z kovalentně vázaných atomů křemíku a uhlíku uspořádaných do dvou primárních koordinačních tetraedrů, z nichž každý se skládá ze čtyř vzájemně vázaných atomů křemíku a čtyř atomů uhlíku. Tyto tetraedry mohou být různě poskládány nebo orientovány a vytvářejí polytypy s odlišnými elektronickými pásmovými mezerami; každý typ vykazuje vlastní pořadí poskládání tetraedrů, které má za následek různé chemické a fyzikální vlastnosti.

4. Bod tání

Teplota tání SiC je 2 730 °C. Obvykle se vyskytuje jako žlutozelená až modročerná krystalická sloučenina s průměrnou hustotou 3,21 g/cm3. Čistý SiC je nerozpustný ve vodě, ale rozpouští se v silných alkáliích, jako jsou NaOH a KOH, a také v železe roztaveném do kapalné formy. Kromě toho zůstává SiC nerozpustný pro silné kyseliny, jako je kyselina fluorovodíková, která jej zcela rozpustí.

Krystalová struktura karbidu křemíku je tetraedrická, přičemž každý atom křemíku se váže na čtyři atomy uhlíku v propojeném uspořádání známém jako tetraedrická vazebná konfigurace. Tato jedinečná konfigurace vazeb propůjčuje karbidu křemíku jedinečnou tvrdost srovnatelnou s tvrdostí diamantů. Karbid křemíku existuje jako různé polytypy nebo formy s odlišnou krystalovou strukturou a vlastnostmi, které lze rozdělit do skupin alfa a beta; forma alfa (a-SiC) se tvoří při vyšších teplotách s hexagonální krystalovou strukturou, zatímco formy beta (b-SiC) se tvoří při nižších teplotách a mají krystalovou strukturu typu zinkové směsi podobnou diamantům.

Karbid křemíku poprvé vytvořil americký vynálezce Edward G. Acheson v roce 1891. Acheson zahříval směs hlíny a práškového koksu v železné misce, přičemž jako elektrody používal jak ji, tak obyčejné uhlíkové obloukové světlo; když svůj pokus dokončil, pozoroval na jedné elektrodě tohoto uhlíkového obloukového světla jasně zelené krystaly s tvrdostí srovnatelnou s diamanty; Acheson tuto novou látku pojmenoval Carborundum podle latinského výrazu pro “aluminu”, což je její přirozená minerální forma - v roce 1892 na ni proto podal žádost o americký patent.

Karbid křemíku má široké uplatnění v mnoha průmyslových odvětvích, od tavení neželezných kovů a skla, výroby plaveného skla, tepelného zpracování oceli a litiny, výroby keramiky a elektronických součástek, korozivzdorné vlastnosti jsou obzvláště cenné v prostředí s vysokou teplotou a tlakem - jak je vidět u automobilových brzd/spojek a neprůstřelných vest, které jej využívají. Karbid křemíku zůstává jedním z nejtvrdších moderních keramických materiálů, které se dnes používají, s výjimečnými korozivzdornými vlastnostmi, díky nimž je vhodný pro tavení neželezných kovů/skel, jakož i pro prostředí s vysokou teplotou/tlakem, které umožňuje jeho využití.