Miten piikarbidia valmistetaan?

Piikarbidi (SiC) on kova kemiallinen yhdiste, joka koostuu piistä ja hiilestä. Sitä esiintyy luonnossa moissanite-jalokivenä ja sitä valmistetaan massatuotantona hioma-aineissa, metallurgisissa sovelluksissa ja tulenkestävissä aineissa.

SiC soveltuu erinomaisesti tulenkestäviin tiileihin ja muihin tulenkestäviin tuotteisiin, koska se kestää korkeita lämpötiloja ja lämpöshokkeja, on puolijohtava ja atomirakenteensa ansiosta kuumuudenkestävä.

Kemialliset reaktiot

Piikarbidi, jota kutsutaan yleisesti karborundiksi tai SiC:ksi, on keraaminen materiaali, jolla on sekä rakenne- että puolijohdeominaisuuksia. SiC:n lujuus, korkea lämpötilankestävyys ja kemiallinen inerttiys jopa korkeissa lämpötiloissa tekevät siitä erinomaisen materiaalin hioma-, metallurgia- ja tulenkestävyyssovelluksissa; lisäksi sen puolijohteiden kaltaisten ominaisuuksien ansiosta se soveltuu hyvin suuritehoisiin laitteisiin, jotka toimivat lämpötiloissa, joita perinteiset puolijohteet eivät kestä.

SiC:tä voidaan valmistaa erilaisilla tuotantotekniikoilla, joista kullakin on omat etunsa tietyissä sovelluksissa. Esimerkiksi Acheson-prosessi tarjoaa lujia monimutkaisia muotoja, RBSC-prosessi (reaktiosidottu piikarbidi) tarjoaa korkean puhtauden ja kemiallinen kaasufaasipinnoitus mahdollistaa erittäin puhtaiden pinnoitteiden luomisen.

Kaupallisessa piikarbidin tuotannossa käytetään yleensä sähköuuniprosessia, jossa hiilen lähteenä käytetään vähätuhkaista petrolikoksia, joka sitten murskataan ja jauhetaan ennen lajittelua ja kemiallista käsittelyä tiettyjen suorituskykyominaisuuksien täyttämiseksi.

Pii ja hiili reagoivat kemiallisesti raaka-aineissa muodostaen monityyppejä tai alkuaineiden pinoamisjärjestelyjä, joista kuutiomainen piikarbidi (a-SiC) on yksi suosituimmista monityypeistä, jonka Mohsin kovuus on 9. Vaikka tämänkaltaisia raakamineraaleja voidaan louhia raakamineraalilähteistä, useimmiten ne valmistetaan yhdistelmäprosesseilla: reaktiosidonnalla ja sintrauksella.

Reaktiosidonta on prosessi, jossa jauhetun kvartsihiekan ja vähätuhkaisen petrolikoksin muodossa olevan hiilen seos yhdistetään ja rakennetaan sähkövastuksella varustetun uunin ympärille reaktiosidonnan avulla. Tämän jälkeen sähkövirta johdetaan johtimen läpi, jolloin kemiallinen reaktio käynnistyy ja syntyy sylinterinmuotoinen harkko, jossa on sekä a-SiC:tä että b-SiC:tä; reagoimaton a-SiC jää harkon pinnalle. Tämän jälkeen lisätään nestemäistä piitä, joka sitoo alun perin erilliset kiteet yhteen yhdeksi jatkuvaksi kuutiomaisten SiC-kiteiden rakenteeksi, joka soveltuu useimpiin teollisiin käyttötarkoituksiin; joskus voidaan suorittaa jatkokäsittelyä metallurgisen luokan materiaalin tuottamiseksi.

Lämmitys

Piikarbidi (SiC) on hiilestä ja piistä koostuva epäorgaaninen kemiallinen yhdiste, jota esiintyy luonnossa harvinaisena mineraalina moissanite, mutta vuodesta 1893 lähtien sitä on myös valmistettu synteettisesti jauheena hioma-aineena käytettäväksi. Piikarbidi on kovinta synteettistä materiaalia Mohsin kovuusasteikolla alumiinioksidin (alumiinioksidi) ja timantin välissä, ja sen lämmönjohtavuus, alhainen lämpölaajeneminen ja kemiallinen inerttius tekevät siitä erittäin sopivan teollisuuden tulenkestäviin sovelluksiin, kuten uunitiileihin.

Metallurgista piikarbidia valmistetaan yleensä Acheson-prosessilla, jossa raaka-aineita, kuten kvartsihiekkaa (kvartsihiekkaa), sekoitetaan öljykoksin tai antrasiittihiilen kanssa valokaariuunissa, joka kuumennetaan noin 2600 celsiusasteeseen. Kuumennusprosessin aikana piidioksidi (SiO2) pelkistyy ja muuttuu SiC:ksi ja muiksi metallurgisiksi silikaateiksi kutsutuiksi yhdisteiksi, jotka myöhemmin jauhetaan uudelleen mustaksi tai vihreäksi piikarbidiksi niiden laadusta riippuen.

Piikarbidin tuotanto tällä tekniikalla tuottaa suuren saannon, sillä mustaa piikarbidia saadaan jopa 11,3 tonnia uunin panosta kohti. Puhtaampaa piikarbidia voidaan kuitenkin saada käyttämällä kalliimpia menetelmiä, kuten Lelyn prosessia.

Silikonikarbidilla on erilaisia polymorfisia muotoja, joilla kullakin on erilaiset ominaisuudet. Esimerkiksi alfa-piikarbidilla (a-SiC) on wurtsiittia muistuttava kuusikulmainen kiderakenne, kun taas beetamuunnettu b-SiC sisältää timanttia muistuttavia sinkkiblende-kiderakenteita.

Kaikilla piikarbidin muodoilla on sen polymorfista riippumatta samanlainen kerrosrakenne, jossa pii- ja hiiliatomit ovat sitoutuneet toisiinsa tetraedriseen kokoonpanoon. SiC eroaa boorikarbidista siinä, että sen rakenteessa on kolme hiiliatomia jokaista piiatomia kohti - toisin kuin sen timanttimaisessa rakenteessa, joka antaa boorikarbidille paremmat mekaaniset ominaisuudet ja suuremman kaupallisen kannattavuuden; näin ollen a-SiC:llä oli ylivoimaiset mekaaniset ominaisuudet, ja siitä tuli hallitseva, kunnes b-SiC tuli markkinoille, ja se oli liukoisempi.

Kuivaus

Piikarbidi on erittäin kova, kiteinen materiaali, jolla on useita teollisia sovelluksia. Erityisesti sitä käytetään yleisesti hiomalaikkojen, leikkuutyökalujen ja hiekkapaperin hioma-aineena sen erittäin suuren lujuuden ja kovuuden vuoksi; muita käyttökohteita ovat kuitenkin sähköeristeet, tulenkestävät aineet ja keramiikka - sen alhaiset lämpölaajenemisominaisuudet tekevät siitä täydellisen materiaalin käytettäväksi korkeissa lämpötiloissa - vaikkakin se päällystetään usein alumiinioksidilla, jotta sen pitkäikäisyyttä voidaan pidentää entisestään.

Piikarbidin valmistus alkaa kuumentamalla ensin raakaa piidioksidia ja hiiltä sähköuunissa, kunnes niiden yhdisteet yhdistyvät piidioksidiksi ja hiilimonoksidikaasuksi, minkä jälkeen niitä kuivataan inertissä ilmakehässä useita päiviä 1 400-2 700 celsiusasteen lämpötiloissa - näin epäpuhtaudet saadaan tehokkaasti poistettua ja jäljelle jää lähes puhdas piikarbidiharkko.

Tämän jälkeen ammattitaitoiset työntekijät lajittelevat ja luokittelevat harkot eri kokoisiksi, muotoisiksi ja kemiallisilta koostumuksiltaan erilaisiin sovelluksiin sopiviksi. Kun ammattitaitoiset työntekijät ovat lajitelleet ja luokitelleet harkot, niitä voidaan jatkojalostaa käytettäväksi esimerkiksi hioma-, metalli- ja tulenkestävyysaloilla sekä puolijohdetuotteiden dopingaineiksi, kun niihin lisätään dopingaineita.

Harkkoon lisätyt dopantit voivat tuottaa useita polytyyppejä, joilla on erilaiset fyysiset ja sähköiset ominaisuudet. Boori ja alumiini tekevät piistä p-tyypin puolijohteen, kun taas typpi ja fosfori luovat n-tyypin puolijohteen.

Puhtaan piikarbidin tuottaminen edellyttää monimutkaista ja huolellista prosessia, jossa jokaiseen vaiheeseen on kiinnitettävä tarkkaa huomiota. Hioma-, metallurgisessa ja tulenkestävässä teollisuudessa käytettäväksi tarkoitetuilla piikarbidista valmistetuilla tulenkestävillä tuotteilla on usein ainutlaatuisia vaatimuksia, kuten raekokoja, sideainetyyppejä, puhtausastetta, tiheyttä ja huokoisuutta koskevia vaatimuksia. Washington Mills -tiimimme tekee mielellään yhteistyötä asiakkaiden kanssa ymmärtääkseen heidän yksilölliset vaatimuksensa ja tutkiessaan samalla kaikkia CARBOREX-tuotteiden tarjoamia mahdollisuuksia.

Sintraus

Piikarbidia voi olla vaikea työstää ja hioa, jolloin leikkaus- tai hiontatöihin tarvitaan timantti- tai ultraäänityökaluja. Lisäksi sen herkkä pinta vaatii huolellista käsittelyä, jotta vältetään hilseily tai lohkeilu; koska se kestää kestävyytensä ansiosta hyvin korkeita lämpötiloja uuneissa tai uuneissa.

Achesonin prosessi. Piikarbidia voidaan valmistaa tämän prosessin avulla sekoittamalla piihiekkaa ja hiilijauheeksi jauhettua koksia vihreäksi tai mustaksi kiinteäksi aineeksi, joka voidaan sitten jauhaa hienoksi jauheeksi ja sekoittaa muiden ainesosien kanssa pehmittimeksi, jolloin piidioksidi- ja hiiliatomit voivat sitoutua toisiinsa ja sitten muodostaa muotteja käyttäen ennen kuin se imeytyy nestemäiseen piihin reaktioon sidotun materiaalin tai sintrattua materiaalia varten.

Sintrattu piikarbidi on puhtaampaa kuin reaktiosidottu, se on helpompi työstää ja muotoilla, ja sillä on erinomainen korroosion-, kulumisen- ja lämpöshokkien kestävyys - se kestää jopa 1600 asteen lämpötiloja ilman hapettumista tai kemiallisia hyökkäyksiä. Näiden ominaisuuksien ansiosta sitä käytetään monissa teollisissa sovelluksissa.

Sintraustekniikkaa käytetään laajalti kehittyneissä elektroniikkasovelluksissa. Tätä varten sintrausprosessissa tuotetaan suuria yksikidekuoppia, jotka leikataan sitten kiekoiksi puolijohdekomponenteissa käytettäväksi. Joskus puhtaisiin materiaaleihin voidaan sekoittaa booria tai alumiinia kovuuden ja kovettuvuuden lisäämiseksi.

Sintraamalla voidaan luoda lujia keraamisia, jotka kestävät halkeilua. Tämäntyyppinen keramiikka kestää korkeita lämpötiloja, mutta se on myös erittäin tulenkestävä kemikaaleille, kuten rikki- ja fluorivetyhapoille, mistä nimi sintrattu a-SiC. Piikarbidin kovuus, jäykkyys, lämmönjohtavuus ja kovuus tekevät siitä toivottavan myös tähtitieteellisten teleskooppien peilimateriaalina; toisin kuin monet muut peilimateriaalit, se pysyy vakaana lämpötilanvaihtelujen aikana ilman, että se deformoituu oman painonsa alla, minkä ansiosta se voi korvata lasin erilaisissa teleskooppimalleissa pienistä kannettavista malleista valtaviin avaruustarkkailulaitteisiin.