Hogyan készül a szilícium-karbid?

A szilíciumkarbid (SiC) egy kemény kémiai vegyület, amely szilíciumból és szénből áll, a természetben a moissanit drágakő formájában található meg, és tömegesen gyártják csiszolóanyagokban, kohászati alkalmazásokban és tűzálló anyagokban való felhasználásra.

A SiC ideális tűzálló téglákhoz és más tűzálló termékekhez, mivel ellenáll a magas hőmérsékletnek és a hőhatásnak, félvezető jellegének és atomi szerkezetének köszönhetően hőálló.

Kémiai reakciók

A szilíciumkarbid, közismertebb nevén karborundum vagy SiC, egy kerámiaanyag, amely szerkezeti és félvezető tulajdonságokkal egyaránt rendelkezik. A SiC szilárdsága, magas hőmérséklettel szembeni ellenállása és magas hőmérsékleten is kémiai inertitása miatt kiváló anyag a csiszolóanyagok, a kohászat és a tűzálló anyagok területén; emellett a félvezető-szerű tulajdonságai miatt kiválóan alkalmas olyan nagy teljesítményű eszközökhöz, amelyek olyan hőmérsékleten működnek, amelyet a hagyományos félvezetők nem bírnak el.

A SiC különböző gyártási technikákkal állítható elő, amelyek mindegyike különböző előnyöket kínál az egyes alkalmazásokhoz. Például az Acheson-eljárás nagy szilárdságú, összetett formákat kínál; a reakciókötéses szilíciumkarbid (RBSC) eljárás nagy tisztaságot biztosít; míg a kémiai gőzfázisú leválasztás lehetőséget kínál ultratiszta bevonatok létrehozására.

A kereskedelmi szilíciumkarbid-gyártás jellemzően elektromos kemencében történik, szénforrásként alacsony hamutartalmú kőolajkokszot használnak, majd a szilíciumkarbidot aprítják és őrlik, mielőtt szétválogatják és kémiailag kezelik, hogy megfeleljen a meghatározott teljesítményjellemzőknek.

A szilícium és a szén a nyersanyagokban kémiai reakcióba lépve többtípusú vagy elemek egymásra épülő elrendeződéseit alkotja, a köbös szilíciumkarbid (a-SiC) az egyik legnépszerűbb többtípusú anyag a maga 9-es Mohs-keménységével. Bár az ilyen jellegű nyers ásványok bányászhatók nyers ásványi forrásként, leggyakrabban kombinált eljárásokkal állítják elő: reakciókötéssel és szinterezéssel.

A reakciókötés egy olyan eljárás, amelyben őrölt kovahomok és alacsony hamutartalmú petróleumkoksz formájában lévő szén keverékét egyesítik és reakciókötés útján egy elektromos ellenállású kemence köré építik fel. Ezután elektromos áramot vezetnek át egy vezetőn, ami kémiai reakciót indít el, és henger alakú ingot hoz létre a-SiC-ből és b-SiC-ből; a nem reagált a-SiC az ingot felületén marad. Ezután folyékony szilíciumot adnak hozzá, amely a kezdetben különálló kristályokat egy folytonos, kocka alakú SiC-kristályokból álló szerkezetté köti össze, amely a legtöbb ipari felhasználásra alkalmas; néha további feldolgozásra kerülhet sor, hogy kohászati minőségű anyagot állítsanak elő.

Fűtés

A szilíciumkarbid (SiC) egy szénből és szilíciumból álló szervetlen kémiai vegyület, amely a természetben a ritka ásvány, a moissanit formájában fordul elő; 1893 óta azonban szintetikusan is gyártják por alakban, hogy csiszolóanyagként használják. A szilíciumkarbid a Mohs-féle keménységi skálán az alumínium-oxid (alumínium-oxid) és a gyémánt között a legkeményebb szintetikus anyag, és hővezető képessége, alacsony hőtágulási rátája, kémiai inertitása miatt kiválóan alkalmas ipari tűzálló alkalmazásokhoz, például kemencetéglákhoz.

A kohászati minőségű SiC előállítása általában az Acheson-eljárással történik, amely során a nyersanyagokat, például a kvarchomokot (kovahomok) petróleumkokszal vagy antracitszénnel keverik össze egy körülbelül 2600 fokosra hevített elektromos ívkemencében. E hevítési folyamat részeként a szilícium-dioxid (SiO2) redukálódik és átalakul SiC-vé és más, kohászati szilikátoknak nevezett vegyületekké, amelyeket később minőségüktől függően fekete vagy zöld szilíciumkarbiddá őrölnek.

Az ezzel a technikával történő szilíciumkarbid-gyártás nagy hozamot biztosít, akár 11,3 tonna fekete szilíciumkarbidot is előállítanak egy kemencetöltetből. Nagyobb tisztaságú SiC azonban drágább módszerekkel, például a Lely-féle eljárással is előállítható.

A szilikon-karbid különböző polimorf vagy formákban fordul elő, amelyek mindegyike sajátos jellemzőkkel és tulajdonságokkal rendelkezik. Például az alfa-szilíciumkarbid (a-SiC) hexagonális kristályszerkezete a wurtzithoz hasonló, míg a béta-módosított b-SiC a gyémánthoz hasonló cinkblende kristályszerkezetet tartalmaz.

A szilíciumkarbid minden formája polimorfitól függetlenül hasonló réteges szerkezetű, tetraéderes elrendezésben összekapcsolt szilícium- és szénatomokat tartalmaz. A SiC abban különbözik a borkarbidtól, hogy a szerkezetében minden egyes szilíciumatomra három szénatom jut - ellentétben a borkarbid gyémántszerű szerkezetével, amely a borkarbidnak jobb mechanikai tulajdonságokat és nagyobb kereskedelmi életképességet biztosít; következésképpen az a-SiC jobb mechanikai tulajdonságokkal büszkélkedhetett, és a b-SiC megjelenéséig uralkodóvá vált, és jobban oldódott.

Szárítás

A szilíciumkarbid egy rendkívül kemény, kristályos anyag, amelynek számos ipari alkalmazása van. Leginkább csiszolóanyagként használják csiszolókorongokban, vágószerszámokban és csiszolópapírban, mivel nagyon nagy szilárdságú és keménységű; de egyéb felhasználási területei közé tartoznak az elektromos szigetelők, tűzálló anyagok és kerámiák - alacsony hőtágulási tulajdonságai miatt tökéletes anyag a magas hőmérsékletű környezetben való felhasználásra -, bár gyakran alumínium-oxiddal vonják be, hogy még tovább növeljék élettartamát.

A szilíciumkarbid előállítása úgy kezdődik, hogy először a nyers szilícium-dioxidot és a szenet elektromos kemencében addig hevítik, amíg a vegyületek szilícium-dioxid és szén-monoxid gáz keletkezik, majd ezt követően inert atmoszférában több napon át 1 400-2 700 Celsius-fok közötti hőmérsékleten szárítják - ez lehetővé teszi a szennyeződések hatékony eltávolítását, így szinte tiszta szilíciumkarbid-tömb marad vissza.

A szakképzett munkások ezt követően szétválogatják és osztályozzák ezt az ingot különböző méretekre, formákra és kémiai összetételekre, amelyek megfelelnek a különböző alkalmazásoknak. A szakmunkások által végzett válogatás és osztályozás után tovább feldolgozható, és felhasználható olyan iparágakban, mint a csiszolóanyagok, a kohászat és a tűzálló anyagok, valamint a félvezetőgyártási termékekhez hozzáadott adalékanyagokká válhat, ha adalékanyagokat adnak hozzá.

Az ingothoz hozzáadott adalékanyagok többféle, eltérő fizikai és elektromos tulajdonságokkal rendelkező polytípust hozhatnak létre. A bór és az alumínium p-típusú félvezetővé teszi a szilíciumot, míg a nitrogén és a foszfor n-típusú félvezetőt hoz létre.

A tiszta szilíciumkarbid előállítása bonyolult és aprólékos folyamatot igényel, amely minden lépésnél pontos figyelmet igényel. A csiszoló-, kohászati és tűzálló iparban használt szilíciumkarbidból előállított tűzálló anyagok gyakran egyedi specifikációkkal rendelkeznek, mint például a szemcseméretek, kötőanyagtípusok, tisztasági szint, sűrűségi szint és porozitási követelmények. A Washington Mills csapata szívesen együttműködik az ügyfelekkel, hogy megértsék egyedi követelményeiket, miközben feltárják a CARBOREX termékekkel kapcsolatos összes lehetőséget.

Szinterezés

A szilíciumkarbidot nehéz megmunkálni és csiszolni, ezért a vágási vagy csiszolási műveletekhez gyémánt vagy ultrahangos szerszámokra van szükség. Ezenkívül finom felülete gondos kezelést igényel a pattogás vagy forgácsolás elkerülése érdekében; mivel tartóssága lehetővé teszi, hogy a kemencékben vagy kemencékben jól ellenálljon a nagyon magas hőmérsékletnek.

Acheson-folyamat. A szilíciumkarbidot úgy lehet létrehozni ezzel az eljárással, hogy a szilícium-dioxid homokot szénporos koksszal keverik, hogy zöld vagy fekete szilárd anyagot képezzenek, amelyet aztán finom porrá lehet őrölni, és más összetevőkkel összekeverve lágyítót képeznek, lehetővé téve a szilícium-dioxid és a szénatomok összekapcsolódását, majd formák segítségével formálják, mielőtt folyékony szilíciummal beszivárognak, hogy reakciókötésű anyagot vagy szinterezett anyagot állítsanak elő.

A szinterezett szilíciumkarbid nagyobb tisztaságú, mint a reakciókötésű, könnyebben megmunkálható és alakítható, valamint kiváló korrózió-, kopás- és hősokkállósággal rendelkezik - 1600 fokos hőmérsékletet is képes elviselni anélkül, hogy oxidáció vagy kémiai támadás érné. E tulajdonságainak köszönhetően az ipari alkalmazások széles skáláján alkalmazzák.

A szinterezési technológiát széles körben alkalmazzák a fejlett elektronikai alkalmazásokban. Ehhez nagyméretű egykristályos buborékokat állítanak elő szinterelési eljárással, majd a félvezető eszközökben való felhasználás céljából ostyákra vágják őket. Néha a tiszta anyagokat bórral vagy alumíniummal keverik a keménység és a keményíthetőség növelése érdekében.

A szinterezéssel nagy szilárdságú, repedésálló kerámiák hozhatók létre. Ez a fajta kerámia nemcsak a magas hőmérsékletnek áll ellen, hanem a vegyi anyagokkal, például a kén- és a fluorvíztartalmú savakkal szemben is rendkívül tűzálló; innen ered a szinterezett a-SiC elnevezés. A szilíciumkarbid keménysége, merevsége, hővezető képessége és keménysége miatt csillagászati távcsőtükörként is kívánatos anyag; sok más tüköranyaggal ellentétben a hőmérsékletváltozások során stabil marad anélkül, hogy saját súlya alatt deformálódna, így az üveg helyettesíthető vele a különböző távcsőmodellekben a kis kézi modellektől a hatalmas űrobszervatóriumokig.