Teplota tavenia karbidu kremíka

Karbid kremíka (SiC) je extrémne tvrdý syntetický materiál s mnohými priemyselnými využitiami. Ako neoxidová keramika sa SiC môže pochváliť jedinečnými vlastnosťami vrátane vysokého bodu topenia, tepelnej vodivosti a odolnosti proti korózii - tri vlastnosti, ktoré sú nevyhnutné pre priemyselné procesy.

Čierny SiC sa používa v brusivách a ako moissanit; atraktívny syntetický drahokam. Na druhej strane, zelený SiC je jemnejší materiál, ktorý sa používa na rôzne aplikácie.

1. Sublimačná teplota

Karbid kremíka (SiC) je vysoko žiaruvzdorný syntetický materiál, ktorý je schopný odolávať extrémnym teplotám a zároveň zostáva pevný aj napriek zvýšeným teplotám, takže je vhodný na aplikácie, kde je najdôležitejší odvod tepla.

SiC sa v prírode vyskytuje ako vzácny drahokamový minerál moissanit, ale častejšie sa komerčne vyrába na použitie ako abrazívum a súčasť keramiky. Jedna z metód zahŕňa tavenie kremičitého piesku s uhlíkom v elektrickej peci pomocou Achesonovej grafitovej elektródy - vzniká zelený SiC, ktorý sa často používa na rezanie, leštenie alebo brúsenie povrchov kameňa a skla.

SiC je vďaka svojmu chemickému zloženiu mimoriadne univerzálny materiál. To znamená, že môže nadobúdať rôzne polymorfné formy, pričom dve prevládajúce sú alfa SiC s hexagonálnou tesne uloženou kryštálovou štruktúrou podobnou wurtzitu a beta modifikácia b SiC s lícne centrovanou kubickou kryštálovou štruktúrou podobnou diamantu alebo zinkovému bludru. Oba varianty majú jedinečné vlastnosti, vďaka ktorým sú vhodné na rôzne priemyselné aplikácie.

Čistý a-SiC má nízku reaktivitu voči kyslíku a nepriepustnosť, vďaka čomu je ideálny na použitie v jadrových reaktoroch. Okrem toho je jeho tepelná vodivosť trikrát vyššia ako u kremíka, pričom jeho teplota topenia je oveľa vyššia; vysokokoncentrované materiály s upravenou teplotou topenia 2025 stupňov Celzia môžu obsahovať prídavok bóru, ktorý túto hodnotu ešte znižuje. Okrem toho termodynamické výpočty pomocou teórie funkcií hustoty umožňujú zistiť, kedy dochádza k sublimácii alebo rozkladu na základe tlakových podmienok.

2. Tepelná vodivosť

Karbid kremíka (SiC) je jedinečný materiál s výraznými čiernosivými až zelenými odtieňmi, ktorý má výnimočnú špecifickú hustotu 3,21 g/cm3, takže je hustejší ako typická keramika, ale menej hustý ako niektoré kovy. Okrem toho nerozpustnosť SiC zabraňuje jeho rozpúšťaniu vo vode, alkohole alebo kyselinách a vykazuje veľkú stabilitu a odolnosť voči drsným chemickým prostrediam.

Jedinečné fyzikálne vlastnosti SiC z neho robia ideálny materiál na mnohé priemyselné účely, od elektroniky a rezných nástrojov až po abrazíva a keramiku. Ako jeden z najtvrdších známych materiálov sa SiC využíva v takých rôznych aplikáciách, ako je výroba elektroniky a výroba rezných nástrojov.

Tento materiál zostáva nerozpustný vo vode, alkohole a kyselinách a zároveň odoláva väčšine organických a anorganických zlúčenín vrátane roztavených solí, hlinitanov, síranov a iných žiaruvzdorných oxidov.

Sila SiC spočíva v jeho štrukturálnej integrite ako atomárne kovalentne viazanej kryštálovej mriežky. Tento materiál sa vyznačuje dvoma primárnymi koordinačnými tetraédrami, z ktorých každý obsahuje štyri atómy kremíka a štyri atómy uhlíka kovalentne viazané so svojimi protiľahlými partnermi; tieto štvorstranné tvary umožňujú SiC vydržať významné úrovne deformácie bez toho, aby došlo k jeho lomu.

SiC je ideálny materiál pre polovodičovú elektroniku vďaka svojej vynikajúcej tepelnej vodivosti a prieraznej sile elektrického poľa, ktorý ponúka vysoké spínacie napätia s nízkym zapínacím odporom, čo umožňuje zariadeniam pracovať pri vysokých frekvenciách so zníženými výkonovými stratami a zvýšenou účinnosťou.

SiC sa vyrába synteticky z rôznych surovín, pričom najobľúbenejšou surovinou je karbid kremíka a titánu. Po syntéze sa SiC môže formovať do rôznych tvarov, veľkostí a chemických látok na priemyselné použitie; spoločnosť Washington Mills ponúka pre tieto potreby SiC CARBOREX(r) v mnohých veľkostiach a chemických látkach - ideálny pre aplikácie vrátane abrazívneho tryskania, abrazív s protišmykovým povlakom, metalurgických žiaruvzdorných materiálov, drôtov na rezanie, odolnosti proti opotrebovaniu a mnohých ďalších.

3. Sila

Keramika z karbidu kremíka (SiC) patrí medzi najtvrdšie a najodolnejšie keramické materiály, ktoré sú k dispozícii, vyznačuje sa vynikajúcou tepelnou stabilitou a chemickou inertnosťou, čo z nej robí vynikajúcu voľbu pre vysoko výkonné aplikácie vystavené náročným podmienkam.

Odolné keramické materiály, ako je zirkón, majú vynikajúcu odolnosť proti korózii, oxidácii a únave, vďaka čomu sú vhodné na mechanické tesnenia, konštrukčnú keramiku a balistické pancierovanie. Zirkón je tiež atraktívnou voľbou pre polovodičové materiály vďaka svojej schopnosti znášať vysoké teploty a elektrické polia - dve vlastnosti, ktoré významne prispievajú k ich popularite ako materiálov používaných vo výkonných zariadeniach.

Karbid kremíka (SiC) sa používa od konca 19. storočia ako abrazívum a brúsny kotúč, žiaruvzdorný materiál rezných nástrojov a na výrobu kremíkových doštičiek na výrobu elektroniky. Výrobné metódy sa líšia, ale medzi dve populárne možnosti patrí reakčné spájanie a priame spekanie; pri priamom spekaní sa zvyčajne vytvára jemnejšia štruktúra zrna s lepšími teplotnými vlastnosťami pri použití, ako aj mechanickými vlastnosťami pri vyšších nákladoch.

Žiaruvzdorné materiály vyrobené s použitím silikagélu sú mimoriadne stabilné až do vysokých teplôt a vyznačujú sa jednou z najnižších tepelných rozťažností spomedzi všetkých priemyselných žiaruvzdorných materiálov. Hoci sú silikagélové žiaruvzdorné materiály nerozpustné vo vode, môžu sa rozpúšťať pri pôsobení alkalických roztokov a roztavených zásaditých solí; niekedy je však možné aj rozpúšťanie niektorými organickými kyselinami. Poskytujú skvelé tepelnoizolačné vlastnosti až do teplôt 8000 stupňov C a zároveň sú účinným tepelným izolantom.

4. Odolnosť proti korózii

Karbid kremíka je neoceniteľná priemyselná keramika, ktorá sa stala jedným zo základných kameňov modernej technológie. Karbid kremíka, ktorý sa používa vo všetkom od automobilových bŕzd a spojok až po nepriestrelné vesty, vyniká tým, že patrí medzi najsilnejšie keramické materiály schopné odolávať vysokým teplotám prostredia a odolávať korózii v náročných situáciách.

Karbid kremíka je anorganický materiál zložený z atómov kremíka a uhlíka, ktoré sú navzájom spojené pevnými väzbami, vďaka čomu má pevnosť aj tepelné vlastnosti. Keďže tieto väzby si vyžadujú veľké množstvo energie na pretrhnutie, táto tvrdá zlúčenina sa môže pochváliť extrémne vysokou teplotou topenia.

Fyzikálna stabilita karbidu kremíka zohráva dôležitú úlohu pri jeho odolnosti voči korózii. Dokáže odolávať zvýšeným teplotám bez oxidácie, vďaka čomu je ideálny pre aplikácie vyžadujúce dlhodobú bezúdržbovú prevádzku bez deformácie alebo rozpadu pod tlakom až 5-8 GPa.

Odolnosť karbidu kremíka voči korózii je výsledkom jeho ochrannej bariérovej vrstvy oxidu, ktorá sa vytvára na jeho povrchu a pomáha ho chrániť pred priamou interakciou medzi substrátom karbidu kremíka a útočiacimi druhmi, ako je kyslík alebo bór (v prípade nitridu kremíka). V dôsledku toho tieto materiály vykazujú pozoruhodne nízku mieru korózie v suchom a vlhkom vzdušnom prostredí, v zmesiach horúcich plynných pár, roztavených solí alebo v zložitých prostrediach, ako sú uhoľné trosky.

Aj po vykonaní rozsiahlych štúdií o týchto materiáloch zostáva korózia v komplexných prostrediach obrovskou výzvou. Vzhľadom na množstvo premenných vrátane konkurenčných reakcií a potrebných mechanizmov transportu hmoty, požiadaviek na morfológiu povrchu/mikroštruktúry a ďalších parametrov, ktoré je potrebné zohľadniť, sa dosiahol významný pokrok pri vytváraní modelov na opis správania karbidu kremíka a nitridu kremíka, keď sú vystavené komplexným prostrediam.

5. Elektrická vodivosť

Vďaka mnohým vlastnostiam je karbid kremíka kľúčovým materiálom v mnohých priemyselných aplikáciách, od pôsobivej tvrdosti a odolnosti proti opotrebovaniu až po pôsobenie ako polovodič a elektrický vodič, čo významne prispieva k zvýšeniu účinnosti a spoľahlivosti. Okrem toho sa tento materiál môže pochváliť pôsobivými mechanickými vlastnosťami vrátane zachovania pevnosti pri vysokých teplotách, ako aj výnimočnou chemickou odolnosťou.

Karbid kremíka sa stal neoceniteľným materiálom, ktorý je schopný pracovať v náročných podmienkach, ako je 3D tlač, balistika a výroba chemických produktov. V porovnaní s kovmi ponúka karbid kremíka nákladovú efektívnosť a zároveň odoláva extrémne vysokým tlakom bez toho, aby pri namáhaní praskal. Okrem toho je vďaka svojej tepelnej vodivosti ideálny na aplikácie tepelného manažmentu.

SiC sa vyrába zložitým vysokoteplotným procesom. Najprv sa zmes čistého kremičitého piesku a práškového uhoľného koksu spojí okolo uhlíkového vodiča Achesonovej pece a potom cez jeho uhlíkovú elektródu prechádza elektrický prúd, ktorý iniciuje chemickú reakciu medzi kremičitým pieskom a koksom, pri ktorej vzniká kryštalická keramika karbidu kremíka. V závislosti od úrovne čistoty môže vzniknúť zelená alebo čierna SiC keramika.

Pevnosť karbidu kremíka spočíva v jeho tetraedrickej kryštálovej štruktúre kremíka a uhlíka, ktorú držia pohromade silné kovalentné väzby v jeho kryštálovej mriežke, čím vzniká silná vnútorná odolnosť proti vnútornej oxidácii pri vysokých teplotách. Kryštálová štruktúra zostáva stabilná v rôznych prostrediach a môže sa vyskytovať ako alfa (a-SiC) s hexagonálnou wurtzitovou kryštálovou štruktúrou alebo beta (b-SiC) s kryštálovou štruktúrou zinku blende.

Elektrická vodivosť SiC kompozitov a vlákien sa výrazne líši v závislosti od spôsobu výroby, veľkosti zŕn, úrovne čistoty a konfigurácie väzby - preto je veľmi dôležité, aby si používatelia overili zdroj akýchkoľvek údajov, ktoré používajú ako referenčný bod.