Kā tiek ražots silīcija karbīds?

Silīcija karbīds (SiC) ir ciets ķīmisks savienojums, kas sastāv no silīcija un oglekļa, dabā sastopams kā moisanīta dārgakmens un masveidā ražots izmantošanai abrazīvos, metalurģijā un ugunsizturīgajos materiālos.

SiC ir ideāli piemērots ugunsizturīgiem ķieģeļiem un citiem ugunsizturīgiem izstrādājumiem, jo tas ir izturīgs pret augstām temperatūrām un termiskiem triecieniem, tam ir pusvadošs raksturs un atomu struktūra, kas padara to karstumizturīgu.

Ķīmiskās reakcijas

Silīcija karbīds, ko biežāk dēvē par karborundu vai SiC, ir keramikas materiāls, kam piemīt gan strukturālas, gan pusvadītāju īpašības. Pateicoties izturībai, augstai temperatūras izturībai un ķīmiskai inertumam pat paaugstinātās temperatūrās, SiC ir lielisks materiāls abrazīviem, metalurģijā un ugunsizturīgajos materiālos; turklāt tā pusvadītājiem līdzīgās īpašības padara to labi piemērotu augstas jaudas ierīcēm, kas darbojas temperatūrās, kuras parastie pusvadītāji nespēj izturēt.

SiC var ražot, izmantojot dažādus ražošanas paņēmienus, no kuriem katrs piedāvā atšķirīgas priekšrocības konkrētiem lietojumiem. Piemēram, Achesona process piedāvā augstas stiprības sarežģītas formas; reakcijas saistītā silīcija karbīda (RBSC) process nodrošina augstu tīrības pakāpi; savukārt ķīmiskā tvaiku uzklāšana piedāvā iespēju radīt īpaši tīrus pārklājumus.

Komerciālā silīcija karbīda ražošanā parasti izmanto elektriskās krāsns procesu, kurā kā oglekļa avots tiek izmantots zemas pelnu koncentrācijas naftas kokss, kas tiek sasmalcināts un samalts pirms šķirošanas un ķīmiskās apstrādes, lai atbilstu īpašām veiktspējas īpašībām.

Silīcijs un ogleklis izejvielās ķīmiski reaģē, veidojot politipus jeb elementu sakopojumus, un viens no populārākajiem politipiem ir kubiskais silīcija karbīds (a-SiC), kura cietība pēc Mosa skalas ir 9. Lai gan šāda veida minerālus var iegūt kā izejvielas, visbiežāk tos iegūst kombinētos procesos: reakciju savienošanas un saķepināšanas procesā.

Reakcijas saistīšana ir process, kurā, izmantojot reakcijas saistīšanu, ap elektriskās pretestības krāsni apvieno un ap elektriskās pretestības krāsni veido samaltu silīcija smilšu un oglekļa maisījumu zemas pelnvielu koncentrācijas naftas koksa veidā. Pēc tam caur vadītāju laiž elektrisko strāvu, izraisot ķīmisku reakciju un izveidojot cilindrisku a-SiC un b-SiC lietņu; nereaģējušais a-SiC paliek uz lietņa virsmas. Pēc tam pievieno šķidro silīciju, saistot sākotnēji atsevišķos kristālus kopā vienā nepārtrauktā kubisko SiC kristālu struktūrā, kas ir piemērota lielākajai daļai rūpniecisko lietojumu; dažkārt var notikt turpmāka apstrāde, lai iegūtu metalurģiskas kvalitātes materiālu.

Apkure

Silīcija karbīds (SiC) ir neorganisks ķīmisks savienojums, kas sastāv no oglekļa un silīcija un dabā sastopams kā retais minerāls moizanīts, taču kopš 1893. gada to ražo arī sintētiski pulvera veidā, lai izmantotu kā abrazīvu. Silīcija karbīds ir vissmagākais sintētiskais materiāls starp alumīnija oksīdu (alumīnija oksīdu) un dimantu pēc Mosa cietības skalas, un tā siltumvadītspēja, zemais termiskās izplešanās koeficients un ķīmiskā inertums padara to ļoti piemērotu rūpnieciskiem ugunsizturīgiem materiāliem, piemēram, krāsns ķieģeļiem.

Metalurģiskās kvalitātes SiC parasti ražo Achesona procesā, kas ietver tādu izejvielu kā kvarca smiltis (silīcija smiltis) sajaukšanu ar naftas koksu vai antracīta oglēm elektriskā loka krāsnī, kas uzkarsēta līdz aptuveni 2600 grādiem pēc Celsija. Šajā karsēšanas procesā silīcija dioksīds (SiO2) reducējas un pārvēršas par SiC un citiem savienojumiem, ko sauc par metalurģiskajiem silikātiem, kurus atkarībā no to kvalitātes vēlāk atkal samaļ melnā vai zaļā silīcija karbīdā.

Silīcija karbīda ražošana, izmantojot šo metodi, nodrošina augstu iznākumu, saražojot līdz 11,3 tonnām melnā silīcija karbīda no vienas krāsns lādes. Tomēr augstākas tīrības pakāpes SiC var iegūt, izmantojot dārgākas metodes, piemēram, Lely procesu.

Silikona karbīds sastopams dažādos polimorfos jeb formās, un katrai no tām piemīt atšķirīgas īpašības un īpašības. Piemēram, alfa silīcija karbīdam (a-SiC) ir heksagonāla kristāliskā struktūra, kas līdzīga virtcītam, bet beta modificētais b-SiC satur cinka blende kristālisko struktūru, kas līdzīga dimantam.

Neatkarīgi no polimora visām silīcija karbīda formām ir līdzīga slāņaina struktūra, kurā silīcija un oglekļa atomi ir saistīti kopā tetraedriskā konfigurācijā. SiC no bora karbīda atšķiras ar to, ka tā struktūrā uz katru silīcija atomu ir trīs oglekļa atomi - atšķirībā no rombveida struktūras, kas bora karbīdam nodrošina labākas mehāniskās īpašības un lielāku komerciālo dzīvotspēju; līdz ar to a-SiC varēja lepoties ar labākām mehāniskām īpašībām, kļūstot par dominējošo, līdz parādījās b-SiC, kas ir šķīdīgāks.

Žāvēšana

Silīcija karbīds ir ārkārtīgi ciets, kristālisks materiāls ar daudzveidīgu pielietojumu rūpniecībā. Visbiežāk to izmanto kā abrazīvu slīpēšanas ripu, griezējinstrumentu un smilšpapīra ražošanā, jo tas ir ļoti izturīgs un ciets; tomēr citi izmantošanas veidi ir elektriskie izolatori, ugunsizturīgie materiāli un keramika - tā zemās termiskās izplešanās īpašības padara to par ideālu materiālu izmantošanai augsttemperatūras vidē, lai gan bieži vien to pārklāj ar alumīnija oksīdu, lai vēl vairāk pagarinātu tā kalpošanas ilgumu.

Silīcija karbīda ražošana sākas, vispirms elektriskajā krāsnī karsējot neapstrādātu silīcija dioksīdu un oglekli, līdz to savienojumi apvienojas, veidojot silīcija dioksīdu un oglekļa monoksīda gāzi, pēc tam vairākas dienas žāvē inertā atmosfērā temperatūrā no 1400 līdz 2700 grādiem pēc Celsija - tas ļauj efektīvi atbrīvoties no piemaisījumiem, iegūstot gandrīz tīru silīcija karbīda lietņu.

Pēc tam kvalificēti darbinieki šos lietņus šķiro un klasificē dažādos izmēros, formās un ķīmiskā sastāvā, kas atbilst dažādiem pielietojumiem. Pēc tam, kad kvalificēti strādnieki to ir sašķirojuši un klasificējuši, to var tālāk apstrādāt izmantošanai tādās nozarēs kā abrazīvie materiāli, metalurģija un ugunsizturīgie materiāli, kā arī, pievienojot tam leģējošos materiālus, to var izmantot par leģējošiem elementiem pusvadītāju izstrādājumu ražošanā.

Lējumam pievienojot lejamvielas, var iegūt vairākus politipus ar atšķirīgām fizikālajām un elektriskajām īpašībām. Bors un alumīnijs padarīs silīciju par p tipa pusvadītāju, bet slāpeklis un fosfors radīs n tipa pusvadītāju.

Tīra silīcija karbīda ražošana prasa sarežģītu un rūpīgu procesu, kas prasa precīzu uzmanību katram solim. Ugunsizturīgajiem materiāliem, ko ražo no silīcija karbīda izmantošanai abrazīvajā, metalurģijas un ugunsizturīgajā rūpniecībā, bieži vien ir unikālas specifikācijas, piemēram, graudu izmēri, saistvielu veidi, tīrības līmenis, blīvuma līmenis un porainības prasības. Mūsu Washington Mills komanda labprāt sadarbosies ar klientiem, lai izprastu viņu individuālās prasības, vienlaikus izpētot visas iespējas ar CARBOREX produktiem.

Sinterēšana

Silicija karbīdu var būt grūti apstrādāt un slīpēt, tāpēc griešanai vai slīpēšanai ir nepieciešami dimanta vai ultraskaņas instrumenti. Turklāt tā maigajai virsmai ir nepieciešama rūpīga apstrāde, lai izvairītos no lobīšanās vai šķembu veidošanās, jo tā izturība ļauj tam labi izturēt ļoti augstas temperatūras krāsnīs vai krāsnīs.

Ačsona process. Silīcija karbīdu var izveidot, izmantojot šo procesu, sajaucot silīcija smiltis ar oglekļa pulverveida koksu, lai veidotos zaļa vai melna cieta viela, ko pēc tam var sasmalcināt smalkā pulverī un sajaukt ar citām sastāvdaļām, lai veidotu plastifikatoru, kas ļauj silīcija dioksīdam un oglekļa atomiem savienoties un pēc tam veidot, izmantojot veidnes, pirms infiltrācijas ar šķidro silīciju, lai iegūtu reakcijas saistītu materiālu vai saķepinātu materiālu.

Saķepinātais silīcija karbīds ir tīrāks nekā reakcijas saķepinātais, to ir vieglāk apstrādāt un veidot, un tam ir lieliska izturība pret koroziju, nodilumu un termisko triecienu - tas spēj izturēt 1600 grādu temperatūru, nepakļaujoties oksidācijai vai ķīmiskam iedarbībai. Šo īpašību dēļ to izmanto visdažādākajos rūpnieciskos lietojumos.

Sinterēšanas tehnoloģija tiek plaši izmantota progresīvos elektroniskos lietojumos. Šim nolūkam, izmantojot saķepināšanas procesu, tiek izgatavoti lieli monokristālu lodes gabali, kas pēc tam tiek sagriezti plāksnēs izmantošanai pusvadītāju ierīcēs. Dažreiz tīrus materiālus var sajaukt ar boriem vai alumīniju, lai palielinātu cietību un rūdījumu.

Ar saķepināšanu var izveidot augstas stiprības keramiku, kas ir izturīga pret plaisāšanu. Šī veida keramika ir ne tikai izturīga pret augstām temperatūrām, bet arī ļoti ugunsizturīga pret ķīmiskām vielām, piemēram, sērskābi un fluorūdeņražskābi; no tā arī cēlies nosaukums a-SiC. Silīcija karbīda cietība, stingrība, siltumvadītspēja un cietība padara to vēlamu arī kā astronomisko teleskopu spoguļu materiālu; atšķirībā no daudziem citiem spoguļu materiāliem tas saglabājas stabils temperatūras maiņas laikā, nedeformējoties zem sava svara, kas ļauj aizstāt stiklu dažādos teleskopu modeļos, sākot no maziem rokas modeļiem līdz pat milzīgām kosmosa observatorijām.