Cum se fabrică carbura de siliciu?

Carbura de siliciu (SiC) este un compus chimic dur format din siliciu și carbon, care se găsește în natură sub formă de piatră prețioasă moissanite și care este produs în masă pentru a fi utilizat în produse abrazive, aplicații metalurgice și materiale refractare.

SiC este ideal pentru cărămizi de foc și alte produse refractare datorită rezistenței sale la temperaturi ridicate și șocuri termice, naturii sale semi-conductoare și structurii atomice care îl face rezistent la căldură.

Reacții chimice

Carbura de siliciu, denumită mai frecvent carborundum sau SiC, este un material ceramic cu proprietăți structurale și semiconductoare. Datorită rezistenței, rezistenței la temperaturi ridicate și inerției chimice chiar și la temperaturi ridicate, SiC este un material excelent în aplicații de abrazive, metalurgie și refractare; în plus, caracteristicile sale asemănătoare semiconductorilor îl fac potrivit pentru dispozitive de mare putere care funcționează la temperaturi pe care semiconductorii convenționali nu le pot suporta.

SiC poate fi produs folosind diferite tehnici de producție, fiecare oferind avantaje distincte pentru aplicații specifice. De exemplu, procesul Acheson oferă forme complexe cu rezistență ridicată; procesul de carbură de siliciu legată prin reacție (RBSC) oferă o puritate ridicată; în timp ce depunerea chimică de vapori oferă posibilitatea de a crea acoperiri ultrapure.

Producția comercială de carbură de siliciu utilizează de obicei un proces de cuptor electric cu cocs de petrol cu conținut scăzut de cenușă ca sursă de carbon, înainte de a fi zdrobită și măcinată înainte de a fi sortată și tratată chimic pentru a îndeplini anumite caracteristici de performanță.

Siliciul și carbonul reacționează chimic în materiile prime pentru a forma politipuri sau aranjamente de stivuire a elementelor, carbura de siliciu cubică (a-SiC) fiind unul dintre cele mai populare politipuri cu duritatea sa Mohs de 9. În timp ce mineralele brute de această natură pot fi extrase ca surse de minerale brute, cel mai adesea sunt produse prin procese combinate: legare prin reacție și sinterizare.

Legarea prin reacție este un proces în care un amestec de nisip silicios măcinat și carbon sub formă de cocs de petrol cu conținut scăzut de cenușă sunt combinate și acumulate în jurul unui cuptor electric rezistiv prin legare prin reacție. Un curent electric este apoi trecut printr-un conductor, declanșând o reacție chimică și producând un lingou cilindric de a-SiC și b-SiC; orice a-SiC nereacționat rămâne pe suprafața lingoului. Se adaugă apoi siliciu lichid, care unește cristalele inițial separate într-o structură continuă de cristale cubice de SiC, adecvată pentru majoritatea utilizărilor industriale; uneori, se poate efectua o prelucrare suplimentară pentru a obține un material de calitate metalurgică.

Încălzire

Carbura de siliciu (SiC) este un compus chimic anorganic format din carbon și siliciu, care se găsește în stare naturală sub forma mineralului rar moissanite; cu toate acestea, din 1893, a fost, de asemenea, fabricat sintetic sub formă de pulbere pentru a fi utilizat ca abraziv. Carbura de siliciu este cel mai dur material sintetic situat între alumină (oxid de aluminiu) și diamant pe scara de duritate Mohs, iar conductivitatea sa termică, ratele scăzute de dilatare termică și inerția chimică îl fac foarte potrivit pentru aplicații industriale refractare, cum ar fi cărămizile pentru cuptoare.

Producția de SiC de calitate metalurgică se realizează de obicei prin procesul Acheson, care presupune amestecarea materiilor prime, cum ar fi nisipul cuarțos (nisip silicios) cu cocs de petrol sau cărbune antracit într-un cuptor electric cu arc încălzit la aproximativ 2600degC. Ca parte a acestui proces de încălzire, dioxidul de siliciu (SiO2) este redus și transformat în SiC și alți compuși numiți silicați metalurgici, care sunt ulterior măcinați din nou în carbură de siliciu neagră sau verde, în funcție de calitatea lor.

Producția de carbură de siliciu folosind această tehnică are un randament ridicat, producând până la 11,3 tone de carbură de siliciu neagră per încărcătură de cuptor. Cu toate acestea, SiC de puritate mai mare poate fi obținut prin metode mai costisitoare, cum ar fi procedeul Lely.

Carbura de siliciu apare în diferite polimorfe sau forme, fiecare având caracteristici și proprietăți distinctive. De exemplu, carbura de siliciu alfa (a-SiC) are o structură cristalină hexagonală similară wurtzitei, în timp ce b-SiC modificată beta conține structuri cristaline de zinc blende similare diamantului.

Indiferent de polimorf, toate formele de carbură de siliciu au în comun o structură stratificată similară care conține atomi de siliciu și de carbon legați împreună într-o configurație tetraedrică. SiC se deosebește de carbura de bor prin faptul că are trei atomi de carbon pentru fiecare atom de siliciu din structura sa - spre deosebire de structura sa de tip diamant, care conferă carburii de bor proprietăți mecanice superioare și o viabilitate comercială mai mare; în consecință, a-SiC se mândrește cu proprietăți mecanice superioare, devenind dominant până la apariția b-SiC, mai solubil.

Uscare

Carbura de siliciu este un material cristalin extrem de dur, cu multiple aplicații industriale. În special, este utilizat în mod obișnuit ca abraziv în roțile de șlefuit, uneltele de tăiere și șmirghel datorită rezistenței și durității sale foarte ridicate; cu toate acestea, alte utilizări includ izolatoare electrice, refractare și ceramică - proprietățile sale de dilatare termică scăzută îl fac materialul perfect pentru a fi utilizat în medii cu temperaturi ridicate - deși este adesea acoperit cu oxid de aluminiu pentru a-i prelungi longevitatea și mai mult.

Producția de carbură de siliciu începe prin încălzirea siliciului brut și a carbonului într-un cuptor electric până când compușii lor se combină pentru a produce dioxid de siliciu și monoxid de carbon gazos, urmată de uscare într-o atmosferă inertă timp de mai multe zile la temperaturi cuprinse între 1 400 și 2 700 de grade Celsius - aceasta permite eliminarea eficientă a impurităților, lăsând în urmă un lingou de carbură de siliciu aproape pur.

Muncitorii calificați sortează și clasifică apoi acest lingou în diferite dimensiuni, forme și compoziții chimice care corespund diferitelor aplicații. Odată sortate și clasificate de către lucrătorii calificați, acestea pot fi prelucrate ulterior pentru a fi utilizate în industrii precum abrazivele, metalurgia și materialele refractare, precum și pentru a deveni dopanți pentru produsele de producție a semiconductorilor, atunci când li se adaugă dopanți.

Dopanții adăugați la un lingou pot produce mai multe politipuri cu proprietăți fizice și electrice distincte. Borul și aluminiul vor transforma siliciul într-un semiconductor de tip p, în timp ce azotul și fosforul creează un semiconductor de tip n.

Producerea carburii de siliciu pure necesită un proces complex și meticulos, care necesită o atenție precisă la fiecare pas. Refractarele produse cu carbură de siliciu pentru utilizarea în industriile abrazive, metalurgice și refractare au adesea specificații unice, cum ar fi dimensiunile granulelor, tipurile de lianți, nivelul de puritate, nivelul de densitate și cerințele de porozitate. Echipa noastră de la Washington Mills va lucra cu plăcere cu clienții pentru a le înțelege cerințele individuale, explorând în același timp toate posibilitățile cu produsele CARBOREX.

Sinterizare

Carbura de siliciu poate fi dificil de prelucrat și șlefuit, necesitând unelte diamantate sau cu ultrasunete pentru operațiunile de tăiere sau șlefuire. În plus, suprafața sa delicată necesită o manipulare atentă pentru a evita exfolierea sau așchierea; deoarece durabilitatea sa îi permite să reziste bine la temperaturi foarte ridicate în cuptoare sau în etuve.

Procesul Acheson. Carbura de siliciu poate fi creată folosind acest proces prin amestecarea nisipului de siliciu cu cocsul pudră de carbon pentru a forma un solid verde sau negru care poate fi apoi măcinat pentru a forma o pulbere fină și amestecat cu alte ingrediente pentru a forma plastifiant, permițând dioxidului de siliciu și atomilor de carbon să se lege între ei și apoi formați folosind matrițe înainte de infiltrarea cu siliciu lichid pentru a produce un material legat prin reacție sau un material sinterizat.

Carbura de siliciu sinterizată are o puritate mai mare decât carbura de reacție, este mai ușor de prelucrat și modelat și are o rezistență excelentă la coroziune, uzură și șocuri termice - fiind capabilă să suporte temperaturi de 1600degC fără a ceda la oxidare sau atac chimic. Ca urmare, datorită acestor caracteristici, este utilizat într-o gamă largă de aplicații industriale.

Tehnologia de sinterizare este utilizată pe scară largă în aplicații electronice avansate. În acest scop, prin procesul de sinterizare se produc blocuri monocristaline mari, care sunt apoi tăiate în plachete pentru a fi utilizate în dispozitive semiconductoare. Uneori, materialele pure pot fi amestecate cu bor sau aluminiu pentru a crește duritatea și capacitatea de întărire.

Sinterizarea poate crea ceramică de înaltă rezistență care este rezistentă la fisurare. Nu numai că acest tip de ceramică este rezistent la temperaturi ridicate, dar este și foarte refractar la substanțe chimice precum acizii sulfuric și fluorhidric; de aici și denumirea de a-SiC sinterizat. Duritatea, rigiditatea, conductivitatea termică și duritatea carburii de siliciu o fac, de asemenea, de dorit ca material pentru oglinzile telescoapelor astronomice; spre deosebire de multe alte materiale pentru oglinzi, carbura de siliciu rămâne stabilă în timpul schimbărilor de temperatură, fără a se deforma sub propria greutate, ceea ce îi permite să înlocuiască sticla în diferite modele de telescoape, de la modele portabile mici la observatoare spațiale uriașe.