Ako sa vyrába karbid kremíka?

Karbid kremíka (SiC) je tvrdá chemická zlúčenina pozostávajúca z kremíka a uhlíka, ktorá sa v prírode vyskytuje ako drahokam moissanit a masovo sa vyrába na použitie v abrazívach, metalurgických aplikáciách a žiaruvzdorných materiáloch.

SiC je ideálny pre šamotové tehly a iné žiaruvzdorné výrobky vďaka svojej odolnosti voči vysokým teplotám a tepelným šokom, polovodivej povahe a atómovej štruktúre, ktorá ho robí žiaruvzdorným.

Chemické reakcie

Karbid kremíka, častejšie označovaný ako karborundum alebo SiC, je keramický materiál so štrukturálnymi aj polovodičovými vlastnosťami. Vďaka svojej pevnosti, odolnosti voči vysokým teplotám a chemickej inertnosti aj pri zvýšených teplotách je SiC vynikajúcim materiálom pre aplikácie v oblasti brúsnych materiálov, metalurgie a žiaruvzdorných materiálov; okrem toho sa vďaka svojim vlastnostiam podobným polovodičom hodí pre vysoko výkonné zariadenia pracujúce pri teplotách, ktoré bežné polovodiče nezvládajú.

SiC sa môže vyrábať rôznymi výrobnými technikami, pričom každá z nich ponúka odlišné výhody pre konkrétne aplikácie. Napríklad Achesonov proces ponúka komplexné tvary s vysokou pevnosťou; proces reakčne viazaného karbidu kremíka (RBSC) poskytuje vysokú čistotu; zatiaľ čo chemické naparovanie ponúka potenciál na vytváranie ultračistých povlakov.

Pri komerčnej výrobe karbidu kremíka sa zvyčajne používa proces elektrickej pece s nízkopopolovým ropným koksom ako zdrojom uhlíka, ktorý sa pred triedením a chemickou úpravou na splnenie špecifických výkonnostných charakteristík rozdrví a pomelie.

Kremík a uhlík chemicky reagujú v surovinách a vytvárajú polytypy alebo usporiadanie prvkov na sebe, pričom kubický karbid kremíka (a-SiC) je jedným z najobľúbenejších polytypov s tvrdosťou podľa Mohsa 9. Hoci surové minerály tohto druhu sa môžu ťažiť ako zdroje nerastných surovín, najčastejšie sa vyrábajú kombinovanými procesmi: reakčným spájaním a spekaním.

Reakčná väzba je proces, pri ktorom sa zmes mletého kremičitého piesku a uhlíka vo forme nízkopopolového ropného koksu kombinuje a vytvára okolo elektrickej odporovej pece prostredníctvom reakčnej väzby. Elektrický prúd potom prechádza vodičom, čím sa spustí chemická reakcia a vznikne valcový ingot a-SiC aj b-SiC; prípadný nezreagovaný a-SiC zostáva na povrchu ingotu. Potom sa pridá kvapalný kremík, ktorý spojí pôvodne oddelené kryštály do jednej súvislej štruktúry kubických kryštálov SiC, ktorá je vhodná na väčšinu priemyselných použití; niekedy môže dôjsť k ďalšiemu spracovaniu na výrobu materiálu metalurgickej kvality.

Vykurovanie

Karbid kremíka (SiC) je anorganická chemická zlúčenina zložená z uhlíka a kremíka, ktorá sa v prírode vyskytuje ako vzácny minerál moissanit; od roku 1893 sa však vyrába aj synteticky vo forme prášku, ktorý sa používa ako brúsivo. Karbid kremíka sa môže pochváliť najtvrdším syntetickým materiálom, ktorý je na Mohsovej stupnici tvrdosti zaradený medzi oxid hlinitý a diamant, a vďaka svojej tepelnej vodivosti, nízkej tepelnej rozťažnosti a chemickej inertnosti je veľmi vhodný na priemyselné žiaruvzdorné aplikácie, napríklad na výrobu pecných tehál.

Výroba SiC metalurgickej kvality sa zvyčajne vykonáva Achesonovým procesom, ktorý zahŕňa miešanie surovín, ako je kremenný piesok (kremičitý piesok), s ropným koksom alebo antracitovým uhlím v elektrickej oblúkovej peci zahriatej na približne 2600 °C. V rámci tohto procesu zahrievania sa oxid kremičitý (SiO2) redukuje a mení na SiC a iné zlúčeniny nazývané metalurgické kremičitany, ktoré sa neskôr opäť rozomelú na čierny alebo zelený karbid kremíka v závislosti od ich kvality.

Výroba karbidu kremíka touto technikou poskytuje vysoký výťažok, pričom sa z jednej vsádzky do pece vyrobí až 11,3 tony čierneho karbidu kremíka. Vyššiu čistotu SiC však možno získať drahšími metódami, ako je napríklad Lelyho proces.

Karbid kremíka sa vyskytuje v rôznych polymorfoch alebo formách, pričom každá z nich má odlišné charakteristiky a vlastnosti. Napríklad karbid kremíka alfa (a-SiC) má hexagonálnu kryštálovú štruktúru podobnú wurtzitu, zatiaľ čo beta modifikovaný b-SiC obsahuje kryštálové štruktúry zinku blende podobné diamantu.

Všetky formy karbidu kremíka majú bez ohľadu na svoj polymorf podobnú vrstevnatú štruktúru obsahujúcu atómy kremíka a uhlíka viazané do tetraedrickej konfigurácie. SiC sa od karbidu bóru odlišuje tým, že na každý atóm kremíka v jeho štruktúre pripadajú tri atómy uhlíka - na rozdiel od jeho kosoštvorcovej štruktúry, ktorá dáva karbidu bóru lepšie mechanické vlastnosti a väčšiu komerčnú životaschopnosť; preto sa a-SiC pýšil lepšími mechanickými vlastnosťami a stal sa dominantným, kým neprišiel b-SiC, ktorý je rozpustnejší.

Sušenie

Karbid kremíka je extrémne tvrdý, kryštalický materiál s mnohými priemyselnými aplikáciami. Najmä sa bežne používa ako brúsivo v brúsnych kotúčoch, rezných nástrojoch a brúsnych papieroch vďaka svojej veľmi vysokej pevnosti a tvrdosti; medzi jeho ďalšie použitia však patria elektrické izolátory, žiaruvzdorné materiály a keramika - vďaka svojej nízkej tepelnej rozťažnosti je ideálnym materiálom na použitie v prostredí s vysokou teplotou - hoci sa často pokrýva oxidom hlinitým, aby sa ešte viac predĺžila jeho životnosť.

Výroba karbidu kremíka sa začína najprv zahrievaním surového oxidu kremičitého a uhlíka v elektrickej peci, až kým sa ich zlúčeniny nezlúčia a nevznikne oxid kremičitý a plynný oxid uhoľnatý, potom nasleduje niekoľkodňové sušenie v inertnej atmosfére pri teplotách v rozmedzí 1 400 - 2 700 stupňov Celzia - to umožňuje účinné odstránenie nečistôt a vzniká takmer čistý ingot karbidu kremíka.

Kvalifikovaní pracovníci potom tento ingot triedia a klasifikujú na rôzne veľkosti, tvary a chemické zloženie, ktoré vyhovujú rôznym aplikáciám. Po vytriedení a klasifikácii kvalifikovanými pracovníkmi sa môže ďalej spracovať na použitie v priemyselných odvetviach, ako sú brusivá, metalurgia a žiaruvzdorné materiály, ako aj na výrobu dopantov do polovodičových výrobkov, ak sa do nich pridajú dopanty.

Dopanty pridané do ingotu môžu vytvoriť viacero polytypov s odlišnými fyzikálnymi a elektrickými vlastnosťami. Bór a hliník vytvoria z kremíka polovodič typu p, zatiaľ čo dusík a fosfor vytvoria polovodič typu n.

Výroba čistého karbidu kremíka si vyžaduje zložitý a dôkladný proces, ktorý si vyžaduje precíznu pozornosť pri každom kroku. Žiaromateriály vyrábané z karbidu kremíka na použitie v brúsnom, metalurgickom a žiaruvzdornom priemysle majú často jedinečné špecifikácie, ako sú veľkosti zŕn, typy spojiva, úroveň čistoty, úroveň hustoty a požiadavky na pórovitosť. Náš tím spoločnosti Washington Mills bude ochotne spolupracovať so zákazníkmi, aby pochopil ich individuálne požiadavky a zároveň preskúmal všetky možnosti s produktmi CARBOREX.

Spekanie

S karbidom kremíka sa môže ťažko pracovať a brúsiť, čo si vyžaduje diamantové alebo ultrazvukové nástroje na rezanie alebo brúsenie. Okrem toho si jeho jemný povrch vyžaduje opatrné zaobchádzanie, aby sa predišlo odlupovaniu alebo odštiepeniu; keďže jeho odolnosť mu umožňuje dobre odolávať veľmi vysokým teplotám v peciach alebo sušiarňach.

Achesonov proces. Karbid kremíka možno vytvoriť týmto procesom zmiešaním kremičitého piesku s uhlíkovým práškovým koksom, aby sa vytvorila zelená alebo čierna pevná látka, ktorá sa potom môže rozomlieť na jemný prášok a zmiešať s ďalšími zložkami, aby sa vytvoril plastifikátor, ktorý umožní spojenie atómov oxidu kremičitého a uhlíka a potom sa formuje pomocou foriem pred infiltráciou tekutého kremíka, aby sa vytvoril reakčne spojený materiál alebo spekaný materiál.

Spekaný karbid kremíka sa môže pochváliť vyššou čistotou ako reakčne spájaný, ľahšie sa obrába a tvaruje a má vynikajúcu odolnosť proti korózii, opotrebovaniu a tepelným šokom - je schopný odolať teplotám 1600 °C bez toho, aby podľahol oxidácii alebo chemickému pôsobeniu. Vďaka týmto vlastnostiam sa používa v širokej škále priemyselných aplikácií.

Technológia spekania sa vo veľkej miere používa v pokročilých elektronických aplikáciách. Na tento účel sa v procese spekania vyrábajú veľké monokryštálové guľôčky, ktoré sa potom režú na doštičky na použitie v polovodičových zariadeniach. Niekedy sa čisté materiály môžu miešať s bórom alebo hliníkom, aby sa zvýšila tvrdosť a kaliteľnosť.

Spekaním možno vytvoriť vysokopevnostnú keramiku, ktorá je odolná voči praskaniu. Tento typ keramiky je nielen odolný voči vysokým teplotám, ale je aj vysoko žiaruvzdorný voči chemikáliám, ako sú kyseliny sírová a fluorovodíková; odtiaľ pochádza názov spekaný a-SiC. Tvrdosť, tuhosť, tepelná vodivosť a tvrdosť karbidu kremíka ho robia žiaducim aj ako materiál zrkadiel astronomických teleskopov; na rozdiel od mnohých iných materiálov zrkadiel zostáva stabilný počas teplotných zmien bez toho, aby sa deformoval pod vlastnou váhou, čo mu umožňuje nahradiť sklo v rôznych modeloch teleskopov od malých ručných modelov až po obrovské vesmírne observatóriá.