Mi a szilícium-karbid?

A szilíciumkarbid a szilícium és a szén kemény, kovalens kötésű vegyülete, amelyet gyakran por vagy szilárd tömeg formájában állítanak elő nagy tartósságot igénylő alkalmazásokhoz, például autófékekhez, tengelykapcsolókhoz és golyóálló mellényekben használt kerámialemezekhez.

A moláris tömeget a képlete és a periódusos rendszer elemei alapján számítják ki a relatív tömegének ábrázolására, amelyet gyakran használnak a drágakőgyártásban.

1. Atomtömeg

A szilíciumkarbid (más néven karborundum) szilárd szilíciumból és szénből álló szervetlen kémiai vegyület. Először 1891-ben Edward Goodrich Acheson állította elő agyag (alumínium-szilikát) és porított koksz (szén) együttes hevítésével. Előállítása után sárgától zöldön át kékesfekete színű, nem fémes kristályok formájában kristályosodik, 2700 °C-on szublimáló bomlással; sűrűsége 3,21 g cm-3, vízben oldhatatlan, lúgokban vagy vasban viszont oldódik.

A kereskedelmi forgalomban leggyakrabban szilícium-dioxid-szinter kötésű szemcsés termékeket állítanak elő és használnak csiszolóanyagként vagy ipari kemencék alapanyagaként. A Mohs skála 9-es minősítése jelzi, hogy rendkívül kemény összetételű, rendkívül kemény anyag, amely kiváló olvadási tulajdonságokkal rendelkezik alacsony hőtágulási sebességgel, kiváló elektromos vezetőképességi tulajdonságokkal, mint félvezető félvezető, erős korrózió- és kopásállósággal, kiváló fáradásállósággal és erős ütésállósági tulajdonságokkal.

A szilícium-dioxid-karbidot, mint az egyik eredeti, 1893-ban tömegesen gyártott csiszolóanyagot, már régóta használják hatékony csiszolóanyagként. Keménységének köszönhetően széles körben használják vágószerszámokban és golyóálló mellény kerámia lemezekben; valamint olyan elektronikus alkalmazásokban, mint a fénykibocsátó diódák és a korai rádiókban található detektorok. Természetes előfordulású moissanit is megtalálható egyes meteorit- vagy korundlelőhelyeken, de a ma értékesített szilikakarbid nagy részét szintetikusan állítják elő.

Az azbesztpor alacsony toxikológiai profillal rendelkezik, és nem jelenthet jelentős egészségügyi veszélyt, ha az emberek belélegzik, bár egyes exponált munkavállalóknál irritációt okozhat, és légzőszervi tüneteket okozhat; még azt is megállapították, hogy megváltoztatja a belélegzett tuberkulózis eseteit; bár nem ismert, hogy mutagén lenne; megváltoztatja a hörghurut, de nem az asztma vagy a krónikus obstruktív tüdőbetegség lefolyását, és nem igényel különleges ártalmatlanítási módszereket vagy különleges tárolási feltételeket (de száraznak kell maradnia, ha víztől távol tárolják), ami megfelelő tárolást igényel, ha nem kerül közvetlen kapcsolatba vízzel;

2. Sűrűség

A szilíciumkarbid egy kemény kémiai vegyület, amely szilíciumból és szénből áll, a természetben a nagyon ritka moissanit ásványként fordul elő, de 1893 óta tömegesen gyártják csiszolóanyagként. Ezenkívül ez a kemény anyag szinterezési technológiával összeolvasztható, hogy kemény kerámiákat alkossanak nagy ellenállóképességű alkalmazásokhoz, például autóféktárcsákhoz vagy golyóálló mellényekhez; az ebből készült vágószerszámokat és más, szélsőséges hőmérsékleteknek ellenálló berendezéseket is ebből az anyagból gyártanak.

A szilíciumkarbid atomszerkezete szorosan egymáshoz illeszkedik, minden egyes szilícium- és szénatom kovalens kötéssel kapcsolódik három másik atomhoz. Ez az elrendezés érdekes elektromos tulajdonságokkal rendelkező félvezetőt eredményez; az ellenállás összetételenként akár hét nagyságrenddel is változhat. A szilíciumkarbid nem éghető és nem reakcióképes; azonban oldódik lúgokban, például NaOH/KOH-ban, valamint vasban; vízben azonban oldhatatlan marad.

A szilíciumkarbid molekulatömege 3,21 g cm-3, és sötétszürkétől a feketéig terjedő, fényes felületű, alacsony hőtágulású és kiváló vezetőképességű kristályos anyagként fordul elő. Olvadáspontja 2700 °C és könnyen olvasztható.

Sűrű összetételének és kulcsfontosságú tulajdonságainak köszönhetően az epoxi számos igényes alkalmazásban használható. Gyakori példák közé tartozik a 3D nyomtatás, az energiatechnológia, a papírgyártás és a csiszolóanyagként való felhasználás. Továbbá a súrlódó csapágyakat vagy mechanikus tömítéseket (szivattyúkhoz vagy hajtásrendszerekhez) használó dinamikus tömítési technológiákban is alkalmazhatnak epoxit.

A szilíciumkarbidnak számos alkalmazási területe van, mivel sűrű összetételének és szélsőséges hőmérsékleteknek való ellenállóképességének köszönhetően. Hőtágulási sebessége általában alacsonyabb, mint a legtöbb fémé, ami lehetővé teszi a nagyon forró környezetben való felhasználását. Ezenkívül szilárdsága miatt nagy teherbírású ipari berendezések és gépek készítéséhez is felhasználható. Léteznek toxikológiailag biztonságos ártalmatlanítási módszerek - a megmunkálási vagy csiszolási műveletek során keletkező por azonban irritálhatja a szemet vagy a légutakat, míg a hosszan tartó expozíció tüdőfibrózist eredményezhet.

3. Fajlagos tömeg

A szilíciumkarbid fajsúlya 3,2 g/cm3. Magas szublimációs hőmérséklettel és normál nyomás alatti vízzárósággal büszkélkedhet, így alkalmas magas hőmérsékleten történő csapágyazási alkalmazásokhoz. Magas olvadáspontja és kiváló szilárdsági tulajdonságai miatt a szilíciumkarbid öntőanyagokat előszeretettel használják. A szilícium-karbid továbbá kiváló hővezető képességgel, valamint elektromos térbeli átbomlási szilárdsági jellemzőkkel is büszkélkedhet, így alkalmas félvezető anyagként.

Edward Acheson volt az első tudós, aki 1891-ben mesterségesen szintetizált szilíciumkarbidot, amikor agyag és porított koksz keverékét egy vastálban, elektródaként egy közönséges szén ívlámpát használva hevítette. Acheson ezután fényes zöld kristályokat fedezett fel, amelyek jelentős keménységgel rendelkeztek, és a gyémántra hasonlítottak; Acheson ezt az új vegyületet karborundnak nevezte el, mivel hasonlít a korund ásványi lelőhelyként ismert timföld természetes formáihoz.

Az Acheson-módszerrel történő 1904-es kereskedelmi előállítása óta a szilícium-karbid kristályokat különböző eljárásokkal állították elő. Például olvasztott alumíniumban feloldva alumínium-dioxidot lehet előállítani, míg a szilícium-dioxidot szénnel együtt elektromos kemencében hevítve addig hevítik, amíg a szén kicsapódik, majd ipari csiszolóanyagként való felhasználásra porrá őrlik.

A szilíciumkarbid gyorsan az egyik leggyakrabban használt anyaggá vált. Csiszolókorongok és más csiszolóanyagok, például csiszolóanyagokkal ellátott papír- és szövettermékek, magas hőmérsékletű téglák és tűzálló anyagok gyártása során szerves alkotóelemként szolgál, Mohs-féle keménységi osztályozással, amely a gyémánthoz hasonló. Továbbá törési tulajdonságai miatt jól alkalmazható nagy szilárdságú megmunkálási alkalmazásokhoz.

A szilíciumkarbid rendkívül szorosan elhelyezkedő, kovalens kötésű szilícium- és szénatomokból álló szerkezetben kristályosodik ki, amely két elsődleges koordinációs tetraéderbe rendeződik, amelyek mindegyike négy szilícium- és négy szénatomból áll, amelyek egymáshoz kapcsolódnak. Ezek a tetraéderek különböző módon egymásra helyezhetők vagy orientálhatók, hogy különböző elektronikus sávhézaggal rendelkező politejsortípusokat hozzanak létre; minden típus a tetraéderek egymásra helyezésének sajátos sorrendjét mutatja, ami különböző kémiai és fizikai tulajdonságokat eredményez.

4. Olvadáspont

A SiC olvadáspontja 2730 °C. Jellemzően sárgászöldtől kékesfekete színű kristályos vegyületként jelenik meg, átlagos sűrűsége 3,21 g/cm3 . A tiszta SiC vízben nem oldódik, de erős lúgokban, például NaOH-ban és KOH-ban, valamint folyékony halmazállapotúvá olvasztott vasban oldódik. A SiC továbbá oldhatatlan marad az olyan erős savakkal szemben, mint a fluorvíztartalmú sav, amelyek teljesen feloldják.

A szilíciumkarbid kristályszerkezete tetraéderes, minden egyes szilíciumatom négy szénatomhoz kötődik egy egymásba kapcsolódó elrendezésben, amelyet tetraéderes kötési konfigurációnak nevezünk. Ez az egyedülálló kötési konfiguráció adja a szilíciumkarbidnak a gyémánthoz hasonló, páratlan keménységét. A szilíciumkarbid különböző polytípusok vagy formák formájában létezik, amelyek kristályszerkezete és tulajdonságai eltérőek, és amelyek alfa- és béta-csoportokra oszthatók; az alfa-forma (a-SiC) magasabb hőmérsékleten hatszögletű kristályszerkezettel alakul ki, míg a béta-forma (b-SiC) alacsonyabb hőmérsékleten alakul ki, miközben a gyémánthoz hasonló cinkkeverék típusú kristályszerkezettel rendelkezik.

A szilícium-karbidot először Edward G. Acheson amerikai feltaláló alkotta meg 1891-ben. Acheson agyag és porított koksz keverékét hevítette egy vastálban, miközben elektródaként mind azt, mind pedig egy közönséges szén ívlámpát használt; amikor kísérletének végeztével megfigyelte, hogy e szénelektródás ívlámpa egyik elektródájához fényes zöld kristályok kapcsolódtak, amelyek keménysége a gyémántéhoz hasonlított; Acheson ezt az új anyagot Carborundumnak nevezte el a latin "timföld" szó után, ami a természetes ásványi formája - így 1892-ben amerikai szabadalmat jelentett be rá.

A szilíciumkarbidot számos iparágban alkalmazzák, a színesfémek és üvegek olvasztásától kezdve az úsztatott üveg gyártásán, az acél és öntöttvas hőkezelésén, a kerámia és az elektronikai alkatrészek gyártásán át a korrózióálló tulajdonságok különösen értékesek magas hőmérsékleten és nyomás alatt - ahogyan azt az autófékeknél/kuplungoknál, valamint a golyóálló mellényeknél láthatjuk, amelyek ezt használják. A szilíciumkarbid továbbra is az egyik legkeményebb, fejlett kerámiaanyag, amelyet ma használnak, kivételes korrózióállósági tulajdonságokkal, amelyek alkalmassá teszik a színesfémek/üvegek olvasztására, valamint a magas hőmérsékletű/nyomású környezetekben való felhasználását lehetővé tevő felhasználásra.