Silicijev karbid v prahu

SiC je idealen material za uporabo v inverterjih akumulatorjev električnih vozil, saj lahko prenese visoke napetosti, hkrati pa omogoča učinkovitejše varčevanje z energijo in daljše prevožene razdalje.

Čeprav se silicijev karbid (SiC) v naravi v majhnih količinah pojavlja v meteoritih, nahajališčih korunda in kimberlitu, je večina SiC, ki se danes prodaja, sintetično proizvedena; gre za trd in krhek material z edinstvenimi fizikalnimi lastnostmi.

Trdota

Silicijev karbid, pogosto okrajšano kot SiC, je izjemno trda kristalna spojina silicija in ogljika, ki se v masovni proizvodnji izdeluje že od konca 19. stoletja za uporabo kot brusivo ter za različne industrijske namene, kot so ognjevzdržne obloge za peči ali grelni elementi za industrijske peči, delov, odpornih proti obrabi, na črpalkah in raketnih motorjih ter kot polprevodniški substrat za svetleče diode (LED).

SiC je znan po svoji izjemni trdosti (9 na Mohsovi lestvici), odpornosti proti obrabi, kemični inertnosti in toplotni prevodnosti – lastnostih, zaradi katerih je primeren za uporabo pri visokih temperaturah, na primer v ognjevzdržnih materialih. Poleg tega SiC ohranja svojo trdnost tudi pri visokih temperaturah, kar ga naredi za odlično izbiro materiala.

Edward Goodrich Acheson je prvič uspešno proizvedel silicijev karbid leta 1891, ko je segrel mešanico gline (aluminijevega silikata) in koksa v prahu (ogljika). Ta material je poimenoval karborundum, kar je združitev besed »premog« in »diamant«. Kasneje je Henri Moissan uspešno izdelal silicijev karbid tako, da je ogljik raztopil v tekočem siliciju ali pa vanj stopil kalcijev karbid in silicijev dioksid.

Danes je večina silicijevega karbida, ki se prodaja po vsem svetu, sintetičnega in se proizvaja tako, da se surove plošče kalcinirajo v drobilniku Barmac ali mlinu Raymond, nato pa se z drobljenjem in presejanjem pretvorijo v ultrafini prah. Črni silicijev karbid se obdeluje v skladu z zahtevnimi specifikacijami, da ustreza natančnim zahtevam pri lepljenju, poliranju in protizdrsnih aplikacijah; pri žičnem rezanju kremena; ter pri izdelkih iz prevlečenih in vezanih brusilnih sredstev.

Toplotna prevodnost

Silicijev karbid (SiC) je ena najtrših, najmočnejših in najbolj uporabnih kemičnih spojin, ki jih pozna človeštvo. SiC, ki se v naravi pojavlja v izjemno redkih oblikah kot dragulji moissanit, se od leta 1893 masovno proizvaja v prahu in kristalni obliki za uporabo kot brusilni in industrijski material z odličnimi lastnostmi trdnosti, žilavosti in toplotne prevodnosti.

SiC je sestavljen iz tesno stisnjenih atomov silicija (Si) in ogljika (C), razporejenih v koordinacijske tetraedre s štirimi atomi, kar ustvarja izjemno trd in močan material. Je odporen proti večini organskih in anorganskih kislin ter staljenih soli, razen proti fluorovodikovi kislini in kislim fluoridom; njegova edinstvena tetraedrična struktura mu zagotavlja tudi izjemno odpornost proti toplotnim šokom, kar omogoča uporabo v aplikacijah z visokimi temperaturami.

Čisti silicijev karbid se ponaša z izjemno visoko toplotno prevodnostjo pri sobni temperaturi – približno 490 Wm⁻¹ K⁻¹ zaradi odsotnosti nečistot ali strukturnih napak v njegovi kristalni mreži –, medtem ko polikristalna SiC-keramika kaže znatno nižje vrednosti prevodnosti zaradi naključne usmerjenosti zrn, sekundarnih faz z nižjo prevodnostjo na mejah zrn ali nečistot v mreži.

Podjetje Foundry Service ponuja tako porozni kot tudi popolnoma zgoščen b-SiC v širokem razponu velikosti in kemičnih sestav, ki ustrezajo različnim področjem uporabe, kot so peskanje, protizdrsni premazi, premazani brusni materiali, keramični brusni diski in ognjevzdržni materiali. Vsi ponujeni materiali so bili neodvisno certificirani kot skladni z ustreznimi standardi.

Odporen proti koroziji

Prah iz silicijevega karbida ponuja izjemno odpornost proti obrabi in zaščito pred korozijo, poleg tega pa je visoko ognjevzdržen, ima odlično toplotno prevodnost in nizek koeficient raztezanja – lastnosti, zaradi katerih je idealen za industrijsko uporabo. Svetlo siva barva silicijevega karbida, ki je po trdoti in gostoti podoben diamantu, a se manj zlahka lomi ali opraska, ga naredi idealnega za uporabo kot industrijski material.

Električne lastnosti grafena vključujejo njegove polprevodniške lastnosti in široko območje upora med različnimi sestavami – do sedem redov velikosti med posameznimi sestavami. Grafen je netopljiv v vodi in alkoholu, vendar ima višjo tališče kot diamant. Poleg tega ga njegova visoka odpornost proti kislinam, obrabi in koroziji dobro ščiti; vendar pa nekatere fluorovodikove in dušikove kisline pri višjih temperaturah povzročajo njegovo hitro korozijo.

Reakcijsko vezani silicijev karbid je v kemijskih aplikacijah običajno zelo odporen proti koroziji, razen v primeru nekaterih oksidativnih kislin (kot sta dušikova in fluorovodikova kislina). Ta odpornost izhaja iz njegove odlične odpornosti proti obrabi.

Reakcijsko vezani silicijev karbid se lahko enostavno oblikuje v kalupe tako, da se ga zmeša s plastifikatorjem in vodo v kašo, nato pa se vlije ali iztisne z valjanjem, filtrirno stiskalnico ali hidrostatičnim tlakom. Ta postopek oblikovanja mora potekati brez vpliva kalcija, ki bi sicer oviral njegove lastnosti odpornosti proti koroziji; za dosego tega cilja se kot material za kalupe pogosto uporabljajo mavčni kalupi namesto tradicionalnih kalupov na osnovi peska.

Odpornost proti obrabi

Silicijev karbid ima trdoto 9,1 po Mohsovi lestvici, zaradi česar je zaradi svoje trdote idealen za rezanje zelo trdih materialov ali trdih površin, kot je granit. Poleg tega se zaradi visoke hitrosti rezanja in odpornosti proti obrabi pogosto uporablja pri proizvodnji brusnih plošč, rezalnih orodij, brusnega papirja ter v postopkih peskanja.

Črni prah iz silicijevega karbida se pogosto uporablja v keramiki za natančno brušenje kovinskih in steklenih delov, da se dosežejo natančne mere in gladke površine; pogosto se kombinira z borovim karbidom za večjo trajnost in boljše delovanje pri uporabi pri visokih temperaturah. Poleg tega je ta material uporaben pri proizvodnji naprednih ognjevzdržnih izdelkov, ki se uporabljajo v industrijah, kot so metalurgija, taljenje in litje.

Karbid silicija je v letalski industriji nepogrešljiv pri izdelavi sestavnih delov motorjev, ki so odporni proti ekstremnim temperaturam in toplotnim šokom, ter v sončnih celicah in gorivnih celicah, kjer omogoča razpršitev toplote in s tem izboljša učinkovitost in življenjsko dobo. Karbid silicija ima pomembno vlogo tudi v polprevodniški tehnologiji, kjer njegova toplotna odpornost omogoča delovanje opreme za obdelavo polprevodniških ploščic.

Silicijev karbid z nitridno vezavo je bil nedavno testiran v različnih talnih pogojih, da bi ugotovili njegovo odpornost proti obrabi. Analiza je pokazala, da lahka tla zagotavljajo optimalno odpornost proti obrabi; vendar pa na stopnjo obrabe v teh pogojih še vedno vpliva vrsta jekla, uporabljena za delovne dele.