Vzorec karbidu křemíku

Karbid křemíku, častěji označovaný jako karborundum nebo SiC, je extrémně tvrdý (9 stupňů Mohsovy stupnice) materiál s vynikajícími tepelnými vlastnostmi, který vzniká zahříváním vysoce kvalitního křemičitého písku s jemně mletým uhlíkem v elektrické peci.

Měď má mnohostranné využití v průmyslu i každodenním životě, například jako brusný papír a brusné kotouče, řezné nástroje, tvrdé keramické materiály a řezné nástroje. Kromě toho odolává velmi vysokým teplotám, aniž by se stala hořlavou, což je důležitá vlastnost.

Fyzikální vlastnosti

Mezi fyzikální vlastnosti karbidu křemíku patří tvrdost, tuhost a tepelná vodivost. Odolává teplotám až 1600 stupňů C a zároveň zůstává obrobitelný i po intenzivním spékání a broušení. Karbid křemíku se řadí na druhé místo mezi extrémně tvrdými materiály na Zemi a po nákladných procesech, jako je spékání a broušení, jej lze přesně obrábět s přesnými tolerancemi.

Moissanit se v přírodě vyskytuje jako mimořádně vzácný minerál a masově se vyrábí jako prášek a krystal pro použití v brusných aplikacích, keramických deskách pro neprůstřelné vesty, automobilových brzdách a spojkách, polovodičových zařízeních a drahokamech šperkařské kvality.

SiC krystalizuje v různých strukturách s různým uspořádáním atomů křemíku a uhlíku, z nichž nejrozšířenější je diamantová kubická fáze (b-SiC), která je díky podobným atomovým poloměrům velmi stabilní a poskytuje vynikající tepelnou vodivost. SiC je nerozpustný ve vodě, ale rozpustný v roztavených alkáliích a železe. Jako krystalická látka má barvu od zelené po modročernou.

Chemické vlastnosti

Karbid křemíku (SiC) je mimořádně odolný materiál - chemicky inertní, tepelně stabilní a široce používaný v mnoha aplikacích, od výroby abraziv, systémů tepelného řízení a pokročilé elektroniky až po zvyšování pevnosti kovových slitin. Jako cenná metalurgická přísada snižuje žáruvzdorné ztráty a zároveň výrazně zvyšuje pevnost kovových slitin.

SiC se přirozeně vyskytuje jako minerál moissanit v meteoritech, ale častěji se od konce 19. století syntetizuje Achesonovým procesem, pojmenovaným po svém vynálezci Edwardu Goodrichu Achesonovi. Ten spočívá v zahřívání směsi čistého oxidu křemičitého a jemně mletého uhlíku ve formě ropného koksu na teploty mezi 1700 a 2500 stupni C v elektrické peci.

SiC se vyskytuje v několika polymorfních formách, které se liší v závislosti na tom, jak jsou atomy křemíku a uhlíku poskládány, přičemž v komerčním prostředí se nejčastěji vyskytuje karbid křemíku alfa (a-SiC) s hexagonální krystalovou strukturou podobnou wurtzitu. Beta modifikace s krystalovou strukturou s centrovanou krychlí, jako je zinkový blend nebo sfalerit, měly donedávna jen málo aplikací, ale díky vyššímu povrchu se stále častěji využívají jako nosiče heterogenních katalyzátorů.

Tepelné vlastnosti

Karbid křemíku se může pochlubit výjimečnou hodnotou měrného tepla a tepelnou vodivostí třikrát vyšší než měď a nižší tepelnou roztažností než kovy nebo keramické materiály, což z něj činí vynikající materiál pro aplikace s extrémními teplotami nebo vibracemi.

Sloučenina vyráběná zahříváním křemičitého písku (SiO2) a koksu v elektrické peci na velmi vysokou teplotu, při níž vznikají žluté až zelené až modročerné opalizující krystaly se žlutými až zelenými až zelenými odstíny a celkovým žlutozeleným až modročerným odstínem v závislosti na nastavení teploty. Průmyslové výrobky mohou obsahovat příměsi železa způsobující hnědé nebo černé zbarvení v důsledku přítomnosti Fe2O3.

Čistý karbid křemíku se chová jako elektrický izolant, ale jeho polovodičové vlastnosti se širokým pásmovým rozpětím jej předurčují k použití ve výkonové elektronice. Pro dosažení kovové vodivosti lze přidat dusík nebo fosfor a pro zvýšení provozního napětí berylium, bór, hliník nebo galium - ideální pro aplikace, jako jsou měniče pro elektrická vozidla.

Mechanické vlastnosti

Karbid křemíku je schopen odolávat extrémně vysokým teplotám, což z něj činí vynikající materiál pro použití v žáruvzdorných obkladech a keramických materiálech. Kromě toho lze karbid křemíku také vyrábět do brusných materiálů, jako jsou brusné papíry, řezné nástroje a brusné kotouče pro použití ve vysokotlakých/vysokoteplotních aplikacích, jako jsou automobilové díly a trysky raket.

Roztavená sůl má tvrdost 9 stupňů podle Mohsovy stupnice, což z ní činí houževnatý materiál. Její chemická inertnost navíc znamená, že zůstává nezměněna působením kyselin, louhů nebo jiných roztoků, např. kyselin. Navíc teploty až 2700 stupňů C nijak neohrožují ani nemění její vlastnosti.

Prášek karbidu křemíku lze kombinovat s neoxidovým pojivem za vzniku pasty, kterou lze následně zhutnit a tvarovat pomocí izostatického lisování za studena nebo vytlačování. Hlína je často zvolenou volbou, protože zabraňuje odpařování SiO2 v oblastech hrdla mezi částicemi a zároveň podporuje zhušťování - díky tomu je tato technika ekonomická a účinná při výrobě hustých výrobků z karbidu křemíku.