실리콘 카바이드는 어떻게 만들어지나요?

실리콘 카바이드(SiC)는 실리콘과 탄소로 구성된 단단한 화합물로, 모이사나이트 원석으로 자연적으로 발견되며 연마재, 야금 응용 분야 및 내화물에 사용하기 위해 대량으로 생산됩니다.

SiC는 고온 및 열 충격에 대한 내성, 반도전성, 내열성을 갖는 원자 구조로 인해 내화 벽돌 및 기타 내화 제품에 이상적입니다.

화학 반응

카보룬듐 또는 SiC라고도 불리는 실리콘 카바이드는 구조적 특성과 반도체 특성을 모두 갖춘 세라믹 소재입니다. 고온에서도 강도와 고온 저항성, 화학적 불활성을 지닌 SiC는 연마재, 야금 및 내화물 분야에서 탁월한 소재이며, 반도체와 유사한 특성으로 인해 기존 반도체가 지원할 수 없는 온도에서 작동하는 고전력 장치에 매우 적합합니다.

SiC는 다양한 생산 기술을 사용하여 생산할 수 있으며, 각 기술은 특정 용도에 따라 뚜렷한 이점을 제공합니다. 예를 들어, Acheson 공정은 고강도 복합 형상을 제공하고, 반응 결합 실리콘 카바이드(RBSC) 공정은 고순도를 제공하며, 화학 기상 증착은 초순도 코팅을 만들 수 있는 잠재력을 제공합니다.

상업용 실리콘 카바이드 생산은 일반적으로 저회분 석유 코크스를 탄소원으로 하는 전기로 공정을 사용하며, 특정 성능 특성을 충족하도록 분류 및 화학 처리하기 전에 분쇄 및 분쇄를 거칩니다.

실리콘과 탄소는 원료에서 화학적으로 반응하여 폴리타입 또는 원소들의 적층 배열을 형성하는데, 입방 실리콘 카바이드(a-SiC)는 모스 경도 9로 가장 널리 사용되는 폴리타입 중 하나입니다. 이러한 특성을 가진 원료 광물을 원광으로 채굴하기도 하지만, 대부분 반응 결합과 소결이라는 조합 공정을 통해 생산됩니다.

반응 결합은 분쇄된 실리카 모래와 저회분 석유 코크스 형태의 탄소 혼합물을 반응 결합을 통해 전기 저항로 주위에 결합하고 쌓아 올리는 공정입니다. 그런 다음 전류를 도체에 통과시켜 화학 반응을 일으켜 a-SiC와 b-SiC로 이루어진 원통형 잉곳을 생성하고, 반응하지 않은 a-SiC는 잉곳 표면에 남아 있습니다. 그런 다음 액체 실리콘을 첨가하여 처음에 분리된 결정을 대부분의 산업 용도에 적합한 하나의 연속적인 구조의 입방정 실리콘 결정으로 결합하며, 때로는 야금 등급 재료를 생산하기 위해 추가 가공이 이루어질 수 있습니다.

난방

탄화규소(SiC)는 탄소와 규소로 구성된 무기 화합물로, 희귀 광물인 모이사나이트로 자연적으로 발생하지만 1893년부터 연마재로 사용하기 위해 분말 형태로도 합성 제조되고 있습니다. 탄화규소는 모스 경도계에서 알루미나(알루미늄 산화물)와 다이아몬드 사이의 가장 단단한 합성 소재 등급을 자랑하며 열전도율, 낮은 열팽창률, 화학적 불활성으로 용광로 벽돌과 같은 산업용 내화물 용도에 매우 적합합니다.

야금 등급 SiC 생산은 일반적으로 약 2600degC로 가열된 전기 아크로에서 석영 모래(실리카 모래)와 같은 원료를 석유 코크스 또는 무연탄과 혼합하는 Acheson 공정을 통해 수행됩니다. 이 가열 과정에서 이산화규소(SiO2)가 환원되어 금속 규산염이라고 하는 다른 화합물로 바뀌고, 나중에 품질에 따라 다시 검은색 또는 녹색 실리콘 카바이드로 분쇄됩니다.

이 기술을 사용한 실리콘 카바이드 생산은 높은 수율을 달성하여 용광로 충전당 최대 11.3톤의 블랙 실리콘 카바이드를 생산할 수 있습니다. 그러나 Lely의 공정과 같이 더 비싼 방법을 사용하면 더 높은 순도의 SiC를 얻을 수 있습니다.

실리콘 카바이드는 다양한 다형성 또는 형태로 존재하며, 각각 고유한 특성과 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어 알파 실리콘 카바이드(a-SiC)는 우르츠사이트와 유사한 육각형 결정 구조를 가지며, 베타 변형된 b-SiC는 다이아몬드와 유사한 아연 혼합 결정 구조를 포함합니다.

다형성에 관계없이 모든 형태의 실리콘 카바이드는 실리콘과 탄소 원자가 사면체 구조로 결합된 유사한 층 구조를 공유합니다. 탄화규소는 탄화붕소의 우수한 기계적 특성과 상업적 생존력을 제공하는 다이아몬드와 같은 구조와 달리 실리콘 원자 하나당 3개의 탄소 원자를 갖는다는 점에서 탄화붕소와 구별되며, 그 결과 a-SiC는 우수한 기계적 특성을 자랑하며 b-SiC가 등장하고 용해성이 높아지기 전까지 지배적인 위치를 차지하게 되었습니다.

건조

실리콘 카바이드는 매우 단단한 결정질 소재로 다양한 산업 분야에 사용됩니다. 특히 강도와 경도가 매우 높아 연삭 휠, 절삭 공구, 사포의 연마재로 많이 사용되지만, 그 외에도 전기 절연체, 내화물, 세라믹 등 다양한 용도로 사용되며 열팽창성이 낮아 고온 환경에서 사용하기에 완벽한 소재이지만 수명을 더 늘리기 위해 산화 알루미늄으로 코팅하는 경우가 많습니다.

실리콘 카바이드 생산은 먼저 전기로에서 원료 실리카와 탄소를 가열하여 화합물이 결합하여 이산화규소와 일산화탄소 가스를 생성할 때까지 가열한 다음, 섭씨 1,400~2,700도 사이의 온도에서 며칠 동안 불활성 분위기에서 건조하여 불순물을 효과적으로 제거하고 거의 순수한 실리콘 카바이드 잉곳을 남기는 것으로 시작됩니다.

그런 다음 숙련된 작업자가 이 잉곳을 다양한 크기, 모양 및 화학 성분으로 분류하여 다양한 용도에 맞게 분류합니다. 숙련된 작업자가 분류하고 분류한 후 연마재, 야금, 내화물과 같은 산업에서 사용하기 위해 추가 가공할 수도 있고, 도펀트를 첨가하면 반도체 생산 제품의 도펀트가 될 수도 있습니다.

잉곳에 도펀트를 첨가하면 물리적, 전기적 특성이 뚜렷한 여러 가지 폴리타입을 만들 수 있습니다. 붕소와 알루미늄은 실리콘을 p형 반도체로 만들고 질소와 인은 n형 반도체를 만듭니다.

순수한 실리콘 카바이드를 생산하려면 모든 단계에 정밀한 주의를 기울여야 하는 복잡하고 세심한 공정이 필요합니다. 연마, 야금 및 내화물 산업에서 사용하기 위해 실리콘 카바이드로 생산되는 내화물은 종종 입자 크기, 바인더 유형, 순도 수준, 밀도 수준 및 다공성 요구 사항과 같은 고유 한 사양을 가지고 있습니다. 워싱턴 밀스 팀은 고객과 협력하여 개별 요구 사항을 이해하면서 CARBOREX 제품의 모든 가능성을 모색합니다.

소결

실리콘 카바이드는 작업과 연삭이 어려울 수 있으므로 절단이나 연삭 작업에는 다이아몬드 또는 초음파 공구가 필요합니다. 또한 표면이 섬세하기 때문에 벗겨지거나 부서지지 않도록 조심스럽게 다루어야 하며, 내구성이 뛰어나 용광로나 가마에서 매우 높은 온도에도 잘 견딜 수 있습니다.

애치슨 공정. 이 공정을 통해 실리콘 카바이드는 규사와 탄소 분말 코크스를 혼합하여 녹색 또는 검은색 고체를 만든 다음 분쇄하여 미세 분말을 만들고 다른 재료와 혼합하여 가소제를 만들어 이산화규소와 탄소 원자가 서로 결합하도록 한 다음 금형을 사용하여 성형한 후 액체 실리콘을 침투시켜 반응 결합 물질 또는 소결 물질을 생성하는 방식으로 만들 수 있습니다.

소결 탄화규소는 반응 결합보다 순도가 높고 가공 및 성형이 용이하며 부식, 마모 및 열충격 저항성이 뛰어나 산화나 화학적 공격에 굴복하지 않고 1600degC의 온도에서도 견딜 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 다양한 산업 분야에서 사용되고 있습니다.

소결 기술은 첨단 전자 애플리케이션에서 광범위하게 사용됩니다. 이를 위해 소결 공정을 통해 대형 단결정 구슬을 생산한 다음 반도체 장치에 사용하기 위해 웨이퍼로 절단합니다. 때로는 경도와 경화성을 높이기 위해 순수한 재료에 붕소나 알루미늄을 혼합하기도 합니다.

소결은 균열에 강한 고강도 세라믹을 만들 수 있습니다. 이러한 유형의 세라믹은 고온에 강할 뿐만 아니라 황산 및 불산과 같은 화학 물질에 대한 내화성이 뛰어나 소결된 a-SiC라는 이름이 붙었습니다. 탄화규소는 경도, 강성, 열전도율, 경도가 높아 천체 망원경 미러 소재로 적합하며, 다른 많은 미러 소재와 달리 온도 변화에도 자체 무게로 인한 변형 없이 안정적으로 유지되므로 소형 휴대용 모델부터 대형 우주 관측소에 이르기까지 다양한 망원경 모델에서 유리를 대체할 수 있습니다.