Температура плавления карбида кремния

Карбид кремния (SiC) - это чрезвычайно твердый синтетический материал, имеющий множество промышленных применений. Являясь неоксидной керамикой, SiC обладает уникальными свойствами, включая высокую температуру плавления, теплопроводность и коррозионную стойкость - три свойства, необходимые для промышленных процессов.

Черный SiC используется в абразивных материалах и в качестве муассанита - привлекательного синтетического драгоценного камня. Зеленый SiC, с другой стороны, представляет собой более тонкий материал, используемый для различных целей.

1. Температура сублимации

Карбид кремния (SiC) - это высокоогнеупорный синтетический материал, способный выдерживать экстремальные температуры и сохранять прочность, несмотря на воздействие повышенных температур, что делает его пригодным для применения в тех областях, где отвод тепла имеет первостепенное значение.

SiC встречается в природе в виде редкого драгоценного минерала муассанита, но чаще всего его производят в промышленных масштабах для использования в качестве абразива и компонента керамики. Один из методов заключается в плавлении кварцевого песка с углеродом в электрической печи с помощью графитового электрода Ачесона - получается зеленый SiC, который часто используется для резки, полировки или шлифовки каменных и стеклянных поверхностей.

SiC - чрезвычайно универсальный материал благодаря своему химическому составу. Это означает, что он может принимать различные формы полиморфов, среди которых преобладают альфа SiC с гексагональной плотноупакованной кристаллической структурой, похожей на вюрцит, и бета-модификация b SiC с гранецентрированной кубической кристаллической структурой, похожей на алмаз или цинкобленд. Оба варианта обладают уникальными свойствами, что делает их пригодными для различных промышленных применений.

Чистый a-SiC обладает низкой кислородной реактивностью и непроницаемостью, что делает его идеальным для использования в ядерных реакторах. Кроме того, его теплопроводность в три раза выше, чем у кремния, а температура плавления гораздо выше; материалы высокой концентрации с измененной температурой плавления 2025 градусов Цельсия могут содержать бор, который еще больше снижает это значение. Кроме того, термодинамические расчеты с использованием теории функционала плотности позволяют определить, когда происходит сублимация или разложение в зависимости от условий давления.

2. Теплопроводность

Карбид кремния (SiC) - уникальный материал с характерными черно-серыми или зелеными оттенками, обладающий исключительной удельной плотностью 3,21 г/см3, что делает его более плотным, чем обычная керамика, но менее плотным, чем некоторые металлы. Кроме того, нерастворимость SiC не позволяет ему растворяться в воде, спирте или кислотах, и он демонстрирует высокую стабильность и устойчивость к агрессивным химическим средам.

Уникальные физические характеристики SiC делают его идеальным материалом для многочисленных промышленных применений - от электроники и режущих инструментов до абразивов и керамики. Будучи одним из самых твердых известных материалов, SiC используется в самых разных областях, таких как производство электроники и режущих инструментов.

Устойчивый к окислению и коррозии, что делает его пригодным для использования в жестких промышленных условиях, где другие материалы могут быстро разрушаться или повреждаться агрессивными химическими агентами, этот материал остается нерастворимым в воде, спирте и кислотах, выдерживая воздействие большинства органических и неорганических соединений, включая расплавленные соли, алюминаты, сульфаты и другие тугоплавкие оксиды.

Сила SiC заключается в его структурной целостности как атомарно ковалентно связанной кристаллической решетки. Этот материал имеет два первичных координационных тетраэдра, каждый из которых содержит четыре атома кремния и четыре атома углерода, ковалентно связанных со своими противоположными партнерами; эти четырехсторонние формы позволяют SiC выдерживать значительные деформации без разрушения.

SiC - идеальный материал для полупроводниковой электроники благодаря отличной теплопроводности и пробивной силе электрического поля, обеспечивающий высокое напряжение переключения при низком сопротивлении включения, что позволяет устройствам работать на высоких частотах с уменьшенными потерями мощности и повышенной эффективностью.

SiC производится синтетическим путем из различных сырьевых материалов, наиболее популярным из которых является карбид силикотитана. После синтеза SiC может быть сформирован в различные формы, размеры и химические составы для промышленного использования; Washington Mills предлагает CARBOREX(r) SiC для этих нужд во многих размерах и химических составах - идеально для таких применений, как абразивная обработка, абразивы с противоскользящим покрытием, металлургические огнеупоры, проволока для пиления, износостойкость и многое другое.

3. Прочность

Керамика из карбида кремния (SiC) - один из самых твердых и износостойких керамических материалов, обладающий отличной термической стабильностью и химической инертностью, что делает ее отличным выбором для высокопроизводительных приложений, подвергающихся воздействию жестких условий окружающей среды.

Такие прочные керамические материалы, как диоксид циркония, обладают превосходной коррозионной, окислительной и усталостной стойкостью, что делает их пригодными для изготовления механических уплотнений, конструкционной керамики и баллистической брони. Цирконий также является привлекательным полупроводниковым материалом благодаря своей способности переносить высокие температуры и электрические поля - два атрибута, которые в значительной степени способствуют их популярности в качестве материалов, используемых в мощных устройствах.

Карбид кремния (SiC) используется с конца XIX века в качестве абразива и шлифовального круга, огнеупорного материала для режущих инструментов, а также для производства кремниевых пластин для электроники. Методы производства различны, но два популярных варианта включают реакционное соединение и прямое спекание; методы прямого спекания обычно дают более мелкозернистую структуру с превосходными температурными свойствами, а также механические свойства при повышенной стоимости.

Огнеупоры, изготовленные с использованием силикагеля, чрезвычайно стабильны при высоких температурах и характеризуются одним из самых низких показателей теплового расширения среди всех промышленных огнеупорных материалов. Несмотря на нерастворимость в воде, силикагелевые огнеупоры могут растворяться при воздействии растворов щелочей и расплавленных основных солей, хотя иногда возможно растворение под действием некоторых органических кислот. Они обеспечивают отличные теплоизоляционные свойства при температурах до 8000 градусов Цельсия, одновременно являясь эффективным теплоизолятором.

4. Устойчивость к коррозии

Карбид кремния - бесценная промышленная керамика, ставшая одним из краеугольных камней современных технологий. Используемый во всем - от автомобильных тормозов и сцеплений до пуленепробиваемых жилетов, карбид кремния является одним из самых прочных керамических материалов, способных выдерживать высокие температуры и противостоять коррозии в сложных условиях.

Карбид кремния - это неорганический материал, состоящий из атомов кремния и углерода, связанных между собой прочными связями, что обусловливает его прочность и тепловые свойства. Поскольку для разрыва этих связей требуется большое количество энергии, это твердое соединение может похвастаться чрезвычайно высокой температурой плавления.

Физическая стабильность карбида кремния играет важную роль в его устойчивости к коррозии. Он выдерживает повышенные температуры без окисления, что делает его идеальным для применения в приложениях, требующих длительной работы без технического обслуживания, без деформации или разрушения под давлением до 5-8 ГПа.

Коррозионная стойкость карбида кремния обусловлена наличием защитного оксидного барьерного слоя, который образуется на его поверхности и защищает ее от прямого взаимодействия между подложкой карбида кремния и агрессивными веществами, такими как кислород или бор (в случае нитрида кремния). В результате эти материалы демонстрируют поразительно низкую скорость коррозии в сухой и влажной воздушной среде, смесях горячих газообразных паров, расплавленных солей или сложных средах, таких как угольные шлаки.

Даже после проведения обширных исследований этих материалов коррозия в сложных средах остается чрезвычайно сложной задачей. Из-за многочисленных переменных, включая конкурирующие реакции и необходимые механизмы массопереноса, требования к морфологии поверхности/микроструктуры и другие параметры, которые необходимо учитывать, были достигнуты значительные успехи в создании моделей для описания поведения карбида и нитрида кремния при воздействии сложных сред.

5. Электропроводность

Многочисленные свойства карбида кремния делают его ключевым материалом для многих промышленных применений: от впечатляющей твердости и износостойкости до роли полупроводника и проводника электричества, что значительно повышает эффективность и надежность. Кроме того, этот материал обладает впечатляющими механическими характеристиками, включая сохранение прочности при высоких температурах, а также исключительной химической стойкостью.

Карбид кремния стал бесценным материалом, способным работать в таких сложных условиях, как 3D-печать, баллистика и производство химических продуктов. По сравнению с металлами карбид кремния обеспечивает экономическую эффективность, выдерживая чрезвычайно высокое давление и не растрескиваясь под нагрузкой. Кроме того, его теплопроводность делает его идеальным для применения в системах терморегулирования.

SiC производится с помощью сложного высокотемпературного процесса. Сначала смесь чистого кварцевого песка и порошкообразного угольного кокса объединяется вокруг углеродного проводника печи Acheson, после чего через ее угольный электрод пропускается электрический ток, инициирующий химическую реакцию между кварцевым песком и коксом, в результате которой образуется кристаллическая керамика карбида кремния. В зависимости от степени чистоты керамика SiC может быть зеленой или черной.

Сила карбида кремния заключается в его тетраэдрической кристаллической структуре из кремния и углерода, удерживаемых вместе прочными ковалентными связями в кристаллической решетке, что обеспечивает сильную внутреннюю устойчивость к окислению при высоких температурах. Кристаллическая структура остается стабильной в различных средах и может быть альфа (a-SiC), с гексагональной вюрцитовой кристаллической структурой; или бета (b-SiC), с кристаллической структурой цинковой бленды.

Композиты и волокна SiC значительно отличаются по электропроводности в зависимости от метода изготовления, размера зерна, степени чистоты и конфигурации связующего, поэтому пользователям крайне важно проверять источник любых данных, используемых в качестве точки отсчета.