Kas yra silicio karbidas?

Silicio karbidas – tai kietas, kovalentiniais ryšiais susietas silicio ir anglies junginys, kuris dažniausiai gaminamas miltelių arba kietų masių pavidalu ir naudojamas ten, kur reikalingas didelis patvarumas, pavyzdžiui, automobilių stabdžiuose, sankabose ir neperšaunamose liemenėse naudojamose keraminėse plokštelėse.

Molinė masė apskaičiuojama remiantis cheminės formulės duomenimis ir periodinės lentelės elementais, siekiant nustatyti jos santykinį svorį; šis rodiklis dažnai naudojamas brangakmenių gamyboje.

1. Atominė masė

Silicio karbidas (dar vadinamas karborundumu) yra neorganinis cheminis junginys, sudarytas iš kietojo silicio ir anglies. Pirmą kartą jį 1891 m. pagamino Edwardas Goodrichas Achesonas, kartu kaitindamas molį (aliuminio silikatą) ir miltelinį koksą (anglį). Susidarius, jis kristalizuojasi į geltonus, žalius arba melsvai juodus nemetalinius kristalus, kurie 2700 °C temperatūroje suyra sublimacijos būdu; jo tankis yra 3,21 g/cm³, jis netirpsta vandenyje, tačiau tirpsta šarmuose arba geležyje.

Komerciniu požiūriu silicio dioksido sukepinti granuliuoti produktai dažniausiai gaminami ir naudojami kaip abrazyvas arba žaliava pramoninėms krosnims. 9 balas pagal Moso skalę rodo, kad tai yra itin kieta medžiaga, pasižyminti puikiomis lydymosi savybėmis ir mažu šiluminio plėtimosi koeficientu, puikiomis elektrinio laidumo savybėmis kaip puslaidininkis, dideliu atsparumu korozijai ir dilimui, puikiu atsparumu nuovargiui bei dideliu atsparumu smūgiams.

Silicio karbidas, kaip vienas iš pirmųjų 1893 m. serijiniu būdu pradėtų gaminti abrazyvų, jau seniai naudojamas kaip veiksmingas abrazyvas. Dėl savo kietumo jis plačiai naudojamas pjovimo įrankiuose ir neperšaunamų liemenių keraminėse plokštėse; taip pat naudojamas elektronikos srityje, pavyzdžiui, šviesos dioduose ir ankstyvųjų radijo imtuvų detektoriuose. Gamtinis moissanitas taip pat randamas kai kuriuose meteoritų ar korundo telkiniuose, tačiau didžioji dalis šiandien parduodamo silicio karbido yra gaminama sintetiniu būdu.

Asbesto dulkės pasižymi žemu toksikologiniu profiliu ir, žmonėms jas įkvėpus, neturėtų kelti didelės grėsmės sveikatai, nors kai kuriems su jomis susiduriantiems darbuotojams jos gali sukelti dirginimą ir kvėpavimo takų simptomus; netgi nustatyta, kad jos gali turėti įtakos įkvėptinės tuberkuliozės atvejų skaičiui; nors nėra žinoma, kad jos būtų mutageninės; keičia bronchito eigą, bet ne astmos ar lėtinės obstrukcinės plaučių ligos eigą, ir nereikalauja specialių šalinimo metodų ar kokių nors specialių laikymo sąlygų (tačiau turi būti laikomi sausi, atokiai nuo vandens), todėl turi būti tinkamai laikomi, kad nesiliestų su vandeniu;

2. Tankis

Silicio karbidas – tai kietas cheminis junginys, sudarytas iš silicio ir anglies; gamtoje jis randamas kaip labai retas mineralas moissanitas, tačiau nuo 1893 m. masiškai gaminamas ir naudojamas kaip abrazyvas. Be to, šią kietą medžiagą galima sujungti naudojant sukepinimo technologiją, kad būtų pagaminta kieta keramika, skirta didelio patvarumo reikmėms, pavyzdžiui, automobilių stabdžių diskams ar neperšaunamoms liemenėms; iš jos taip pat gaminami pjovimo įrankiai ir kita įranga, skirta atlaikyti ekstremalias temperatūras.

Silicio karbido atomų struktūra yra tankiai supakuota, kiekvienas silicio ir anglies atomas kovalentiniais ryšiais susijęs su trimis kitais atomais. Toks išdėstymas sukuria įdomų puslaidininkį, pasižymintį įdomiomis elektrinėmis savybėmis; jo varža, priklausomai nuo sudėties, gali skirtis net septyniais dydžio eilėmis. Silicio karbidas yra nedegus ir nereaktyvus; tačiau jis tirpsta šarmuose, pvz., NaOH/KOH, taip pat geležyje; tačiau vandenyje jis lieka netirpus.

Silicio karbido molekulinė masė yra 3,21 g/cm³; tai tamsiai pilkos arba juodos spalvos kristalinė medžiaga su blizgiais paviršiais, pasižyminti mažu šiluminiu plėtimusi ir puikiomis laidumo savybėmis. Jos lydymosi temperatūra yra 2700 °C, ir ją galima lengvai lydyti.

Dėl savo tankios sudėties ir pagrindinių savybių epoksidinė derva gali būti naudojama daugelyje sudėtingų sričių. Dažniausiai ji naudojama 3D spausdinime, energetikos technologijose, popieriaus gamyboje ir kaip abrazyvas. Be to, epoksidinė derva gali būti naudojama dinaminio sandarinimo technologijose, kuriose taikomi trinties guoliai arba mechaniniai sandarikliai (siurbliuose ar pavarų sistemose).

Silicio karbidas turi daug pritaikymo galimybių dėl savo tankios sudėties ir gebėjimo atlaikyti ekstremalias temperatūras. Jo šiluminio plėtimosi koeficientas paprastai yra mažesnis nei daugumos metalų, todėl jį galima naudoti labai karštose aplinkose. Be to, dėl savo tvirtumo jis taip pat gali būti naudojamas gaminant didelio našumo pramoninę įrangą ir mašinas. Yra toksikologiškai saugūs šio medžiagos šalinimo būdai, tačiau apdirbimo ar šlifavimo metu susidarantis dulkių debesis gali dirginti akis ar kvėpavimo takus, o ilgalaikis sąlytis su juo gali sukelti plaučių fibrozę.

3. Savitasis sunkis

Silicio karbido savitasis tankis yra 3,2 g/cm³. Jis pasižymi aukštomis sublimacijos temperatūromis ir nepralaidumu esant normaliam slėgiui, todėl tinka naudoti guoliuose aukštoje temperatūroje. Dėl aukštos lydymosi temperatūros ir puikių stiprumo savybių silicio karbido liejimo medžiagos yra plačiai naudojamos. Be to, silicio karbidas pasižymi puikiu šilumos laidumu bei atsparumu elektrinio lauko pramušimui, todėl jis tinka naudoti kaip puslaidininkių medžiaga.

1891 m. Edwardas Achesonas tapo pirmuoju mokslininku, dirbtinai sintezuojusiu silicio karbidą – jis kaitino molio ir miltelių pavidalo kokso mišinį geležiniame dubenyje, naudodamas įprastą anglies lanko lempą kaip elektrodus. Tuomet Achesonas atrado ryškiai žalius kristalus, pasižyminčius dideliu kietumu, primenančiu deimantą; Achesonas šį naują junginį pavadino „karborundumu“ dėl jo panašumo į natūralias aliuminio oksido formas, žinomas kaip korundo mineraliniai telkiniai.

Nuo 1904 m., kai pagal Achesono metodą buvo pradėta komercinė gamyba, silicio karbido kristalai komerciniais tikslais gaminami taikant įvairius procesus. Pavyzdžiui, ištirpinus juos išlydytame aliuminyje galima gauti aliuminio oksidą, o kaitinant silicio dioksidą su anglimi elektrinėje krosnyje, silicio dioksidas kaitinamas tol, kol susidaro anglies nuosėdos, o vėliau sumalamas į miltelius, skirtus pramoniniams abrazyvams.

Silicio karbidas greitai tapo viena iš dažniausiai naudojamų medžiagų. Jis yra neatskiriama šlifavimo diskų ir kitų abrazyvinių gaminių, pavyzdžiui, popieriaus ir audinių gaminių su abrazyvais, sudedamoji dalis, taip pat naudojamas gaminant aukštos temperatūros plyteles ir ugniai atsparias medžiagas; jo kietumas pagal Moso skalę prilygsta deimantui. Be to, dėl savo lūžio savybių jis puikiai tinka didelio stiprumo apdirbimo darbams.

Silicio karbidas kristalizuojasi į itin tankiai supakuotą struktūrą, sudarytą iš kovalentiškai susietų silicio ir anglies atomų, išdėstytų į du pagrindinius koordinacinius tetraedrus, kurių kiekvienas susideda iš keturių silicio ir keturių anglies atomų, susietų tarpusavyje. Šie tetraedrai gali būti sluoksniuojami arba orientuojami įvairiais būdais, taip susidaro politipai su skirtingomis elektroninėmis juostų spragomis; kiekvienas tipas pasižymi savita tetraedrų sluoksniavimo seka, dėl kurios susidaro skirtingos cheminės ir fizinės savybės.

4. Lydymosi temperatūra

SiC lydymosi temperatūra yra 2 730 °C. Paprastai jis pasirodo kaip geltonai žalias arba melsvai juodas kristalinis junginys, kurio vidutinis tankis yra 3,21 g/cm³. Grynas SiC netirpsta vandenyje, tačiau tirpsta stipriose šarmose, pvz., NaOH ir KOH, taip pat išlydytame geležies skystyje. Be to, SiC netirpsta stipriose rūgštyse, pvz., fluorvandenilio rūgštyje, kuri jį visiškai ištirpdo.

Silicio karbido kristalinė struktūra yra tetraedrinė: kiekvienas silicio atomas jungiasi su keturiais anglies atomais, sudarydamas tarpusavyje susipynusią struktūrą, vadinamą tetraedrine jungčių konfigūracija. Ši unikali jungčių konfigūracija suteikia silicio karbidui neprilygstamą kietumą, prilygstantį deimantų kietumui. Silicio karbidas egzistuoja įvairių politipų arba formų, turinčių skirtingas kristalines struktūras ir savybes, kurias galima suskirstyti į alfa ir beta grupes; alfa forma (a-SiC) susidaro aukštesnėje temperatūroje ir turi šešiakampę kristalinę struktūrą, o beta forma (b-SiC) susidaro žemesnėje temperatūroje ir turi cinko blendo tipo kristalinę struktūrą, panašią į deimantų.

Silicio karbidą pirmą kartą 1891 m. sukūrė amerikiečių išradėjas Edwardas G. Achesonas. Ečesonas geležiniame dubenyje kaitino molio ir miltelių pavidalo kokso mišinį, naudodamas jį ir įprastą anglies lanko lempą kaip elektrodus; baigęs eksperimentą, jis pastebėjo ryškiai žalius kristalus, kurių kietumas prilygo deimantų kietumui, prisitvirtinusius prie vieno iš šios anglies lanko lempos elektrodų; Ečesonas šią naują medžiagą pavadino “Carborundum” pagal lotynišką žodį, reiškiantį „alumina“ – tai yra jos natūrali mineralinė forma – ir 1892 m. pateikė paraišką dėl jos patento JAV.

Silicio karbidas turi daugybę pritaikymo sričių įvairiose pramonės šakose: nuo spalvotųjų metalų ir stiklo lydymo, plokščiojo stiklo gamybos, iki plieno ir ketaus terminio apdorojimo, keramikos ir elektronikos komponentų gamybos; jo atsparumas korozijai yra ypač vertingas aukštos temperatūros ir slėgio sąlygomis – tai matyti iš jo naudojimo automobilių stabdžiuose ir sankabose, taip pat neperšaunamose liemenėse. Silicio karbidas išlieka viena iš kietiausių šiuolaikinių pažangiųjų keraminių medžiagų, pasižyminčių išskirtiniu atsparumu korozijai, todėl jis tinka spalvotųjų metalų ir stiklo lydymui, taip pat gali būti naudojamas aukštos temperatūros ir slėgio sąlygomis.