Silisyum Karbür Nasıl Yapılır?

Silikon karbür (SiC), silikon ve karbondan oluşan sert bir kimyasal bileşiktir; doğada moissanit değerli taşı olarak bulunur ve aşındırıcılar, metalurji uygulamaları ve refrakterlerde kullanılmak üzere büyük ölçekte üretilir.

SiC, yüksek sıcaklığa ve termal şoka karşı direnci, yarı iletken yapısı ve onu ısıya dayanıklı kılan atomik yapısı sayesinde ateş tuğlaları ve diğer refrakter ürünler için idealdir.

Kimyasal Reaksiyonlar

Silisyum karbür, daha yaygın olarak karborundum veya SiC olarak bilinen, hem yapısal hem de yarı iletken özelliklere sahip bir seramik malzemedir. Mukavemeti, yüksek sıcaklık direnci ve yüksek sıcaklıklarda bile kimyasal inertliği sayesinde SiC, aşındırıcılar, metalurji ve refrakter uygulamalarında mükemmel bir malzeme olarak öne çıkar; ayrıca yarı iletken benzeri özellikleri, onu geleneksel yarı iletkenlerin dayanamayacağı sıcaklıklarda çalışan yüksek güçlü cihazlar için son derece uygun hale getirir.

SiC, çeşitli üretim teknikleri kullanılarak üretilebilir; bu tekniklerin her biri, belirli uygulamalar için kendine özgü avantajlar sunar. Örneğin, Acheson yöntemi yüksek mukavemetli karmaşık şekiller elde edilmesini sağlarken; reaksiyonla bağlanmış silikon karbür (RBSC) yöntemi yüksek saflık sunar; kimyasal buhar biriktirme yöntemi ise ultra saf kaplamalar oluşturma imkânı sunar.

Ticari silikon karbür üretiminde genellikle, karbon kaynağı olarak düşük kül içerikli petrol koku kullanılan bir elektrikli fırın prosesi uygulanır; ardından malzeme, belirli performans özelliklerini karşılamak üzere kırılır, öğütülür, sınıflandırılır ve kimyasal işlemden geçirilir.

Silikon ve karbon, hammaddelerde kimyasal olarak reaksiyona girerek polotipler veya elementlerin istiflenme düzenleri oluşturur; kübik silikon karbür (a-SiC), 9’luk Mohs sertliği ile en yaygın polotiplerden biridir. Bu tür ham mineraller, ham mineral kaynakları olarak çıkarılabilse de, çoğunlukla reaksiyonla birleştirme ve sinterleme gibi birleşik işlemler yoluyla üretilir.

Reaksiyonla bağlanma, öğütülmüş silika kumu ile düşük kül içerikli petrol koku formundaki karbonun bir karışımının bir araya getirilip, reaksiyonla bağlanma yoluyla bir elektrikli dirençli fırının etrafında biriktirildiği bir işlemdir. Daha sonra bir iletkenden elektrik akımı geçirilir; bu da kimyasal bir reaksiyonu tetikler ve hem a-SiC hem de b-SiC içeren silindirik bir külçe üretir; reaksiyona girmemiş a-SiC, külçenin yüzeyinde kalır. Daha sonra sıvı silikon eklenir; bu, başlangıçta ayrı olan kristalleri, çoğu endüstriyel kullanım için uygun olan tek bir sürekli kübik SiC kristal yapısı halinde birbirine bağlar; bazen metalurjik sınıf malzeme üretmek için ilave işleme tabi tutulabilir.

Isıtma

Silikon karbür (SiC), karbon ve silikondan oluşan inorganik bir kimyasal bileşiktir ve doğada nadir bir mineral olan moissanit olarak bulunur; ancak 1893 yılından bu yana, aşındırıcı olarak kullanılmak üzere toz halinde sentetik olarak da üretilmektedir. Silikon karbür, Mohs sertlik ölçeğinde alümina (alüminyum oksit) ile elmas arasında en sert sentetik malzeme olarak kabul edilir; ayrıca termal iletkenliği, düşük termal genleşme oranları ve kimyasal inertliği sayesinde fırın tuğlaları gibi endüstriyel refrakter uygulamaları için son derece uygundur.

Metalurjik sınıf SiC üretimi genellikle Acheson prosesi ile gerçekleştirilir; bu proseste, kuvars kumu (silika kumu) gibi hammaddeler, yaklaşık 2600 °C’ye ısıtılmış bir elektrik ark fırınında petrol koku veya antrasit kömürü ile karıştırılır. Bu ısıtma işleminin bir parçası olarak, silikon dioksit (SiO₂) indirgenir ve SiC'ye ve metalurjik silikatlar olarak adlandırılan diğer bileşiklere dönüştürülür; bunlar daha sonra kalitelerine bağlı olarak siyah veya yeşil silikon karbür haline getirilmek üzere tekrar öğütülür.

Bu teknikle silikon karbür üretimi yüksek verim sağlar ve her fırın yükü başına 11,3 tona kadar siyah silikon karbür elde edilir. Bununla birlikte, Lely yöntemi gibi daha pahalı yöntemler kullanılarak daha yüksek saflıkta SiC elde edilebilir.

Silikon karbür, her biri kendine özgü özelliklere ve niteliklere sahip farklı polimorflar veya formlarda bulunur. Örneğin, alfa silikon karbür (a-SiC), wurtzite benzeri altıgen bir kristal yapıya sahipken, beta modifiye b-SiC ise elmasa benzer çinko blende kristal yapıları içerir.

Polimorfu ne olursa olsun, silikon karbürün tüm formları, silikon ve karbon atomlarının tetrahedral bir konfigürasyonda birbirine bağlandığı benzer bir katmanlı yapıya sahiptir. SiC, yapısında her silikon atomuna karşılık üç karbon atomu bulunmasıyla bor karbürden ayrılır – bu, bor karbüre üstün mekanik özellikler ve daha fazla ticari uygulanabilirlik kazandıran elmas benzeri yapısından farklıdır; sonuç olarak a-SiC, üstün mekanik özelliklere sahipti ve b-SiC ortaya çıkıp daha çözünür hale gelene kadar baskın konumdaydı.

Kurutma

Silikon karbür, çok sayıda endüstriyel uygulamaya sahip, son derece sert, kristal yapılı bir malzemedir. En önemlisi, son derece yüksek mukavemeti ve sertliği nedeniyle taşlama disklerinde, kesici aletlerde ve zımpara kağıdında aşındırıcı olarak yaygın olarak kullanılır; ancak diğer kullanım alanları arasında elektrik yalıtkanları, refrakterler ve seramikler de yer alır – düşük ısıl genleşme özellikleri, onu yüksek sıcaklıklı ortamlarda kullanılmak üzere ideal bir malzeme haline getirir – ancak ömrünü daha da uzatmak için genellikle alüminyum oksit ile kaplanır.

Silikon karbür üretimi, öncelikle ham silika ve karbonun elektrikli bir fırında, bileşikleri birleşerek silikon dioksit ve karbon monoksit gazı oluşturana kadar ısıtılmasıyla başlar; ardından bu maddeler, 1.400-2.700 santigrat derece aralığındaki sıcaklıklarda birkaç gün boyunca inert bir atmosferde kurutulur – bu işlem, safsızlıkların etkili bir şekilde giderilmesini sağlayarak geriye neredeyse saf bir silikon karbür külçesi bırakır.

Daha sonra vasıflı işçiler bu külçeyi, farklı uygulamalara uygun çeşitli boyut, şekil ve kimyasal bileşimlere göre ayırır ve sınıflandırır. Vasıflı işçiler tarafından ayrıştırılıp sınıflandırıldıktan sonra, bu külçe, aşındırıcılar, metalurji ve refrakterler gibi endüstrilerde kullanılmak üzere daha ileri işleme tabi tutulabilir; ayrıca üzerine katkılar eklendiğinde yarı iletken üretiminde kullanılan katkılar haline de gelebilir.

Bir külçeye eklenen katkılar, birbirinden farklı fiziksel ve elektriksel özelliklere sahip çeşitli politipler oluşturabilir. Bor ve alüminyum, silikonu p-tipi bir yarı iletken haline getirirken, azot ve fosfor ise n-tipi bir yarı iletken oluşturur.

Saf silikon karbür üretimi, her aşamaya büyük özen gösterilmesini gerektiren karmaşık ve titiz bir süreçtir. Aşındırıcı, metalurji ve refrakter endüstrilerinde kullanılmak üzere silikon karbür ile üretilen refrakterler, genellikle tane boyutları, bağlayıcı türleri, saflık seviyesi, yoğunluk seviyesi ve gözeneklilik gereksinimleri gibi kendine özgü özelliklere sahiptir. Washington Mills ekibimiz, CARBOREX ürünleriyle tüm olasılıkları değerlendirirken, müşterilerimizin bireysel gereksinimlerini anlamak için memnuniyetle onlarla işbirliği yapacaktır.

Sinterleme

Silikon karbürün işlenmesi ve taşlanması zor olabilir; kesme veya taşlama işlemleri için elmas veya ultrasonik aletler gerektirir. Ayrıca, pul pul dökülmesini veya ufalanmasını önlemek için hassas yüzeyi dikkatli bir şekilde ele alınmalıdır; zira dayanıklılığı sayesinde fırınlarda veya ocaklarda çok yüksek sıcaklıklara iyi bir şekilde dayanabilir.

Acheson Yöntemi. Bu işlemle, silikon karbür, silika kumu ile karbon tozlu kokun karıştırılmasıyla üretilebilir; bu karışım, yeşil veya siyah bir katı madde oluşturur. Bu katı madde daha sonra öğütülerek ince toz haline getirilir ve diğer bileşenlerle karıştırılarak plastikleştirici oluşturulur; bu sayede silikon dioksit ve karbon atomları birbirine bağlanır. Ardından kalıplar kullanılarak şekillendirilir ve sıvı silikon ile infiltre edilerek reaksiyonla bağlanmış bir malzeme veya ya da sinterlenmiş malzeme elde edilir.

Sinterlenmiş silikon karbür, reaksiyonla bağlanmış silikon karbürden daha yüksek saflığa sahiptir; işlenmesi ve şekillendirilmesi daha kolaydır ve korozyona, aşınmaya ve termal şoka karşı mükemmel direnç gösterir; oksidasyona veya kimyasal saldırıya maruz kalmadan 1600 °C’lik sıcaklıklara dayanabilir. Sonuç olarak, bu özellikleri sayesinde çok çeşitli endüstriyel uygulamalarda kullanılmaktadır.

Sinterleme teknolojisi, ileri düzey elektronik uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu amaçla, sinterleme işlemiyle büyük tek kristal kütleler üretilir ve daha sonra yarı iletken cihazlarda kullanılmak üzere yonga plakalarına kesilir. Bazen sertliği ve sertleşebilirliği artırmak amacıyla saf malzemelere bor veya alüminyum karıştırılabilir.

Sinterleme, çatlamaya karşı dayanıklı, yüksek mukavemetli seramikler üretilmesini sağlar. Bu tür seramikler sadece yüksek sıcaklıklara dayanıklı olmakla kalmaz, aynı zamanda sülfürik ve hidroflorik asitler gibi kimyasallara karşı da son derece refrakterdir; bu nedenle “sinterlenmiş a-SiC” olarak adlandırılır. Silikon karbürün sertliği, rijitliği, ısı iletkenliği ve dayanıklılığı, onu astronomik teleskop aynası malzemesi olarak da cazip kılar; diğer birçok ayna malzemesinin aksine, sıcaklık değişimleri sırasında kendi ağırlığı altında deforme olmadan stabil kalır; bu da, küçük el tipi modellerden devasa uzay gözlemevlerine kadar çeşitli teleskop modellerinde camın yerini almasını sağlar.