Vad är kiselkarbid?

Kiselkarbid är en hård och kovalent bunden förening av kisel och kol som ofta tillverkas som antingen pulver eller fasta massor för applikationer som kräver hög uthållighet, t.ex. bilbromsar, kopplingar och keramiska plattor som används i skottsäkra västar.

Molarmassan beräknas utifrån dess formel och periodiska systemets grundämnen för att representera dess relativa vikt, vilket ofta används vid ädelstensproduktion.

1. Atomvikt

Kiselkarbid (även kallad karborundum) är en oorganisk kemisk förening som består av kisel och kol i fast form. Den framställdes första gången 1891 av Edward Goodrich Acheson genom att lera (aluminiumsilikat) och pulveriserad koks (kol) värmdes upp tillsammans. När den har framställts kristalliserar den som gula till gröna till blåsvarta icke-metalliska kristaller med sublimerande sönderdelning vid 2700 grader C; dess densitet är 3,21 g cm-3 och den förblir olöslig i vatten medan den är löslig i alkalier eller järn.

Kommersiellt produceras kiselsinterbundna granulatprodukter oftast och används som slipmedel eller råmaterial för industriugnar. Betyget 9 på Mohs skala indikerar dess extremt hårda sammansättning som ett extremt hårt material som uppvisar utmärkta smältegenskaper med låga termiska expansionshastigheter, utmärkta elektriska ledningsförmågaegenskaper som en halvledare halvledare, stark korrosions- och nötningsbeständighet med utmärkt utmattningshållfasthet och starka slagtålighetsegenskaper.

Silica Carbide, som var ett av de första massproducerade slipmedlen 1893, har länge använts som ett effektivt slipmedel. På grund av sin hårdhet används den ofta i skärverktyg och keramiska plattor i skottsäkra västar; och används i elektroniska applikationer som ljusemitterande dioder och detektorer som finns på tidiga radioapparater. Naturligt förekommande moissanit kan också hittas i vissa meteoritfyndigheter eller korundfyndigheter, men den mesta kiselkarbid som säljs idag är syntetiskt producerad.

Asbestdamm har en låg toxikologisk profil och bör inte utgöra ett betydande hot mot människors hälsa vid inandning, även om det kan orsaka irritation hos vissa exponerade arbetstagare och ge luftvägssymtom; det har till och med visat sig förändra tuberkulosfall vid inandning; det är dock inte känt för att vara mutagent; förändra förloppet av bronkit men inte astma eller kronisk obstruktiv lungsjukdom, och kräver inga särskilda bortskaffningsmetoder eller några särskilda förvaringsvillkor (men måste förbli torrt när det förvaras borta från vatten), vilket kräver korrekt förvaring om det inte kommer i direkt kontakt med vatten;

2. Täthet

Kiselkarbid är en hård kemisk förening som består av kisel och kol, som finns naturligt som det mycket sällsynta mineralet moissanit men som massproducerats sedan 1893 för användning som slipmedel. Dessutom kan detta hårda ämne smältas samman med hjälp av sintringsteknik för att bilda hårda keramer för applikationer med hög uthållighet som bromsskivor för bilar eller skottsäkra västar; skärverktyg tillverkade av det och annan utrustning som är utformad för att motstå extrema temperaturer tillverkas också med detta material.

Kiselkarbidens atomstruktur är tätt packad, där varje kisel- och kolatom är kovalent bunden till tre andra atomer via kovalenta bindningar. Detta arrangemang skapar en spännande halvledare med intressanta elektriska egenskaper; resistansen varierar mellan olika kompositioner med så mycket som sju storleksordningar. Kiselkarbid är obrännbart och icke-reaktivt; det är dock lösligt i alkalier som NaOH/KOH samt järn; det förblir dock olösligt i vatten.

Kiselkarbid har en molekylvikt på 3,21 g cm-3 och kan hittas som mörkgrå till svart kristallin substans med glänsande ytor, låg termisk expansion och utmärkta ledningsförmåga egenskaper. Den har en smältpunkt på 2700 degC och kan lätt smältas.

Tack vare sin täta sammansättning och sina viktiga egenskaper kan epoxi användas i många krävande applikationer. Vanliga exempel är 3D-printing, energiteknik, papperstillverkning och som slipmedel. Dessutom kan epoxi användas för dynamisk tätningsteknik med friktionslager eller mekaniska tätningar (för pumpar eller drivsystem).

Kiselkarbid har många användningsområden tack vare sin täta sammansättning och förmåga att motstå extrema temperaturer. Dess termiska expansionshastighet är i allmänhet lägre än för de flesta metaller, vilket möjliggör användning i mycket heta miljöer. På grund av sin styrka kan den också användas för att skapa tunga industriella maskiner och utrustning. Det finns toxikologiskt säkra metoder för avfallshantering, men det damm som uppstår vid maskinbearbetning eller slipning kan irritera ögonen eller luftvägarna, medan långvarig exponering kan leda till lungfibros.

3. Specifik gravitation

Kiselkarbid har en specifik vikt på 3,2 g/cm3. Den har höga sublimeringstemperaturer och ogenomtränglighet under normalt tryck, vilket gör den lämplig för lagerapplikationer vid förhöjda temperaturer. På grund av dess höga smältpunkt och utmärkta hållfasthetsegenskaper används gjutmaterial av kiselkarbid populärt. Dessutom har kiselkarbid också utmärkt värmeledningsförmåga samt egenskaper för elektrisk fältbrytningsstyrka, vilket gör den lämplig som halvledarmaterial.

Edward Acheson blev den förste vetenskapsmannen som syntetiserade kiselkarbid på konstgjord väg 1891 genom att värma en blandning av lera och pulveriserad koks i en järnskål med en vanlig kolbåge som elektrod. Acheson upptäckte då ljusgröna kristaller med betydande hårdhet som liknade diamant; Acheson gav denna nya förening smeknamnet karborundum på grund av dess likhet med naturliga former av aluminiumoxid som kallas korundmineralfyndigheter.

Sedan den kommersiella produktionen med Achesons metod 1904 har kiselkarbidkristaller producerats kommersiellt med hjälp av olika processer. Till exempel kan aluminiumoxid framställas genom att lösa upp den i smält aluminium, medan kiseldioxid värms upp med kol i en elektrisk ugn, vilket har lett till att kiseldioxid värms upp tills kolutfällning sker och sedan mals till pulver för industriell användning av slipmedel.

Kiselkarbid har snabbt blivit ett av de mest använda materialen. Det används som en integrerad komponent i slipskivor och andra slipande produkter, t.ex. pappers- och tygprodukter med slipmedel, tillverkning av högtemperaturstenar och eldfasta material, med Mohs hårdhetsgrader jämförbara med diamant. Dessutom gör dess sprickegenskaper det väl lämpat för höghållfasta bearbetningsapplikationer.

Kiselkarbid kristalliserar till en extremt tätt packad struktur bestående av kovalent bundna kisel- och kolatomer arrangerade i två primära koordinationstetraeder, var och en bestående av fyra kisel- och fyra kolatomer bundna till varandra. Dessa tetraeder kan staplas eller orienteras på olika sätt för att producera polytyper med distinkta elektroniska bandgap; varje typ uppvisar sin egen staplingssekvens av tetraederna som resulterar i olika kemiska och fysiska egenskaper.

4. Smältpunkt

SiC:s smältpunkt är 2.730 degC. Det framträder vanligtvis som en gulgrön till blåsvart kristallin förening med en genomsnittlig densitet på 3,21 g/cm3. Ren SiC är olöslig i vatten men löser sig i starka alkaliner som NaOH och KOH samt i järn smält till flytande form. Dessutom är SiC olösligt i starka syror som fluorvätesyra, som löser upp det helt och hållet.

Kiselkarbidens kristallstruktur är tetraedrisk, där varje kiselatom är bunden till fyra kolatomer i ett sammanlänkat arrangemang som kallas den tetraedriska bindningskonfigurationen. Denna unika bindningskonfiguration ger kiselkarbid dess oöverträffade hårdhet som kan jämföras med diamanters. Kiselkarbid finns som olika polytyper eller former med distinkta kristallstrukturer och egenskaper som kan delas in i alfa- och betagrupper; en alfaform (a-SiC) bildas vid högre temperaturer med hexagonala kristallstrukturer medan betaformer (b-SiC) bildas vid lägre temperaturer och har kristallstrukturer av zinkblandningstyp som liknar diamanter.

Kiselkarbid skapades för första gången av den amerikanske uppfinnaren Edward G. Acheson 1891. Acheson värmde upp en blandning av lera och pulveriserad koks i en järnskål samtidigt som han använde både den och en vanlig kolbåglampa som elektroder; när experimentet var klart såg han ljusgröna kristaller med en hårdhet jämförbar med diamanter fästa vid den ena elektroden på kolbåglampan; Acheson döpte det nya ämnet till Carborundum efter latinets "alumina", som är dess naturliga mineralform - och sökte därför amerikanskt patent på det 1892.

Kiselkarbid har många användningsområden inom många branscher, från smältning av icke-järnmetaller och glas, produktion av floatglas, värmebehandling av stål och gjutjärn, produktion av keramik och elektronikkomponenter, korrosionsbeständiga egenskaper är särskilt värdefulla i miljöer med höga temperaturer och tryck - vilket man ser hos bilbromsar/kopplingar samt skottsäkra västar som använder det. Kiselkarbid är fortfarande ett av de hårdaste avancerade keramiska materialen som används idag med exceptionella korrosionsbeständighetsegenskaper som gör det lämpligt för smältning av icke-järnmetaller/glasögon samt miljöer med höga temperaturer och tryck som gör det möjligt att använda det.