Synteettinen piikarbidi

Piikarbidi (SiC) on keinotekoinen materiaali, jota valmistetaan laajalti hioma-aineena ja timanttilaatuisena timanttisimulaattorina. Lisäksi tätä mineraalia esiintyy luonnossa harvinaisena mineraalina Moissanite.

Lujuus, kovuus, kestävyys ja korroosionkestävyys mahdollistavat sen käytön korkean suorituskyvyn teknisissä sovelluksissa, kuten pumppujen laakereissa, venttiileissä ja hiekkapuhallussuuttimissa.

Synteesi

Piikarbidi (SiC) on tuhoutumaton materiaali, jolla on monenlaisia teollisia käyttötarkoituksia, sillä sillä on erittäin korkea sulamispiste, lämmönkestävyys ja kemiallinen kestävyys. Sulatettua ja uudelleen muotoiltua SiC:tä voidaan käyttää esimerkiksi hioma-aineiden, metallurgisten työkalujen, keraamisien komponenttien, säteilyantureiden ja fotokatalyyttien valmistukseen. Ominaisuuksiensa ansiosta se on yksi kovimmista tunnetuista materiaaleista, ja se on kovuudeltaan toiseksi kovinta timantin ja boorinitridin jälkeen. SiC:n tuotantoon liittyy monimutkaisia menettelyjä, jotka edellyttävät kehittyneitä tekniikoita.

Raaka-aineiden valmistaminen on synteettisen SiC:n valmistuksen ensimmäinen vaihe, ja se onnistuu parhaiten grafiittielektrodeilla varustetussa sähköisessä vastusuunissa, kuten Edward Goodrich Achesonin kehittämässä uunissa. Kun piidioksidi ja hiili on yhdistetty, niitä kuumennetaan korkeissa lämpötiloissa, ennen kuin sähkövirta kulkee niiden läpi, jolloin ne sulavat ja jähmettyvät harkoksi, joka on sitten jalostettava, jalostettava lisää, sulatettava uudelleen, seulottava hienojakoisten hiukkasten varalta, jalostettava edelleen, ennen kuin se lopulta yhdistetään muiden raaka-aineiden kanssa lopulliseksi jauheeksi, joka voidaan sekoittaa keskenään synteettisen piikarbidin valmistuksessa.

Reaktiosidonnaiset prosessit tarjoavat toisen tavan tuottaa SiC:tä, jossa materiaali valmistetaan sekoittamalla se pehmittimeen ja muotoilemalla se ennen polttoa. Tämän menetelmän etuna on, että SiC-materiaalia voidaan valmistaa hyvin pienikokoisina, jotta sitä voidaan käyttää kehittyneissä elektroniikkasovelluksissa; lisäksi voidaan valmistaa myös puhtaita yksikideversioita, jotka voidaan viipaloida kiekkojen tapaan puolijohdekomponentteja varten.

Huokoinen piikarbidi (PSC) valmistetaan reagoimalla sitä vedyn kanssa korkeissa lämpötiloissa. Suuren pinta-alansa ja kemiallisen inerttiytensä ansiosta PSC:tä voidaan käyttää adsorbenttina tai heterogeenisten katalyyttien tukena, ja lisäetuna se voi liueta erilaisiin liuottimiin, mikä lisää sen käyttökelpoisuutta entisestään.

Piikarbidilla voi olla erilaisia rakenteellisia polytyyppejä, kuten alfa- ja beetavaihtoehtoja, joissa molemmissa on kuusi hiiliatomia sidottuna neljään piiatomiin tetraedrisessä järjestyksessä. Beetamuunnoksissa on usein kuutiomainen sinkkiblendi- tai sfaleriittikiderakenne kiteiden muodostumisessa, mikä tekee tästä lajikkeesta lajinsa yleisimmän.

Ominaisuudet

Piikarbidilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia, joiden ansiosta se soveltuu moniin eri sovelluksiin, kuten kovuuden ja lujuuden testaamiseen, korroosionkestävyyteen, lämmönjohtavuuteen ja lämmönjohtavuuteen. Näiden ominaisuuksien ansiosta piikarbidia käytetään yleisesti suuritehoisissa elektroniikkalaitteissa.

Reaktiosidonnaista piikarbidia voidaan valmistaa erilaisilla prosesseilla. Eräässä tällaisessa menetelmässä SiC-jauhetta sekoitetaan hiilijauheeseen ja pehmittimeen, seos muotoillaan esineeksi ja jäljelle jäänyt pehmitin poltetaan pois. Puhdasta piikarbidia voidaan myös laskea kemiallisella höyrystysmenetelmällä (CVD), jota puolijohdevalmistajat käyttävät kiekkojen valmistukseen. Tämä vaatii kuitenkin huomattavia energia- ja laiteinvestointeja, ja kuutiomaisen SiC:n suurten yksikiteisten kiteiden tuottaminen voi osoittautua haastavaksi tällä tekniikalla.

Synteettisellä piikarbidilla on useita käyttökohteita teollisuuden hioma-aineista moissanitiksi kutsuttuihin jalokiviin. Moissaniitti on hieno mineraali, jolla on samankaltaisia ominaisuuksia kuin timantilla. Edward Acheson loi sen synteettisesti vuonna 1891, ja Henri Moissan löysi sen luonnollisesti Arizonan Canyon Diablo -meteoriitista vuonna 1905 ja antoi sille nimen.

Piikarbidia voidaan käyttää myös suojakerroksena hiomatyökaluissa, kuten sahanterissä. Piikarbidia sisältävillä keraameilla on monia sovelluksia eri teollisuudenaloilla ja tekniikoissa sen lämmönkestävyyden ansiosta; jopa 1600 celsiusasteen lämpötilat voidaan saavuttaa ilman merkittävää lämpölaajenemista tai lämpötilan nousua.

Silikonikarbidi tarjoaa muutakin kuin lämmönkestävyyttä; sen sähkönjohtavuus ja alhainen tiheys tekevät siitä ihanteellisen korkeajännitesovelluksiin, kuten sähköajoneuvoihin. Silikonikarbidilla voidaan lisätä moottorin tehoa samalla kun moottorin kokoa/painoa pienennetään ajomatkan pidentämiseksi ja akun käyttöiän pidentämiseksi samalla kun invertterijärjestelmän energiankulutus vähenee.

Piikarbidin ominaisuudet tekevät siitä myös erinomaisen materiaalivalinnan avaruussovelluksiin, kuten aurinkopaneelien suojaamiseen säteilyltä ja haitallisilta ympäristöolosuhteilta, kuten bepiColombon kaltaisissa tehtävissä. Lisäksi sen jäykkyys, alhainen lämpölaajenemisnopeus ja erinomainen sähkönjohtavuus tekevät siitä sopivan avaruusalusten osajärjestelmiin.

Sovellukset

Synteettistä piikarbidia on jo pitkään käytetty lukuisilla teollisuudenaloilla sen lujuuden ja kovuuden vuoksi. Sitä käytetään leikkaustyökalujen valmistukseen sekä puolijohde-elektroniikkalaitteisiin, jotka vaativat korkeita lämpötiloja ja jännitteitä. Lisäksi synteettinen piikarbidi on osoittautunut käyttökelpoiseksi kevyiden suihkumoottoreiden ja polttokennojen valmistuksessa, joten se on erinomainen materiaalivalinta korkean lämpötilan ympäristöissä, joissa sillä on useita etuja kilpaileviin materiaaleihin verrattuna.

Piikarbidin synteesi on yksi maailman tärkeimmistä teollisuusprosesseista, jota käytetään laajalti metallurgisella, tulenkestävällä ja kemianteollisuudella. Vahva, kova ja elastinen keramiikka on erinomainen materiaali, jota voidaan käyttää valmistettaessa korkean suorituskyvyn keramiikkaa, korkeapainerakenteisia tulenkestäviä materiaaleja, teollisuusuunien komponentteja, tulenkestäviä tiiliä tai korkeissa lämpötiloissa käytettäviä lämpöpariputkia. Huokoista piikarbidia voidaan muuttaa tallettamalla metalleja ja oksideja sen katalyyttisen suorituskyvyn lisäämiseksi erilaisissa prosesseissa, kuten butaanin suorassa hapetuksessa maleiinianhydridiksi, lineaaristen tyydyttyneiden hiilivetyjen isomeroinnissa, butadieenin vetykäsittelyssä, hiilidioksidin reformoinnissa ja metaanin hapetuksessa.

Piikarbidi on hiilen ja piin koostumus, jonka Mohsin kovuus on erittäin kova, 9-10, mikä on verrattavissa timantin kovuuteen 10. Tämä materiaali kestää erinomaisesti hapettumista, korroosiota, lämpöshokkeja ja korkeita lämpötiloja - täydellinen puolijohdesovelluksiin vaikeissa olosuhteissa! Piikarbidin kemiallinen inerttiys ja laaja kaistanleveys tekevät siitä sopivan puolijohdesovelluksiin vaikeissa olosuhteissa.

Edward Goodrich Acheson kehitti piikarbidihionta-aineet kaupalliseen käyttöön ensimmäisen kerran vuonna 1890 nimellä "Carborundum", ja ne ovat edelleen yksi yleisimmin käytetyistä hioma-aineista. Sitä löytyy jopa tietyistä jalokivistä (erityisesti moissanitista) tai tehokkaista sahanteristä!

Synteettistä piikarbidia voidaan valmistaa erilaisilla prosesseilla, kuten pii-siilihiilikomposiittien karbotermisellä pelkistämisellä ja kemiallisella höyrypinnoituksella. Molemmilla prosesseilla tuotetaan erittäin puhdasta piikarbidimateriaalia, joka soveltuu erilaisiin sovelluksiin - sitä käytetään laajimmin tulenkestävässä teollisuudessa, koska se kestää äärimmäisiä lämpötiloja, virtoja ja jännitteitä ja on samalla kemikaalinkestävä ja myrkytön.

Kustannukset

Piikarbidi on kova materiaali, joka soveltuu erinomaisesti hiontaan, leikkaamiseen ja läppäämiseen. Sillä on erinomainen korroosion- ja kemikaalinkestävyys, se kestää korkeita lämpötiloja ja sillä on erinomaiset sähköiset ominaisuudet, kuten 10 kertaa suurempi jännitekestävyys kuin tavallisella piillä, ja se päihittää sähköajoneuvoissa ja aurinkosähköinverttereissä käytettävät yli 1000 V:n galliumnitridijärjestelmät. Näiden ominaisuuksien ansiosta piikarbidi on erittäin arvostettu investointimateriaali.

CBN-mikrorakeita ja -jauhetta käytetään usein ei-rautametallien ja kovien keraamisten materiaalien hiontaan käytettävissä hiomamateriaaleissa, ja niitä on yleensä saatavana mustana tai vihreänä mikrorakeena tai -jauheena. CBN on myös olennainen osa komposiittipanssareita (kuten Chobham-panssareita) ja luotiliivejä; lisäksi sitä voidaan seostaa fosforilla n-tyyppisen puolijohteen luomiseksi ja seostaa berylliumilla, boorilla tai alumiinilla p-tyyppisen puolijohteen luomiseksi.

Synteettisen piikarbidin hinnat ovat viime aikoina nousseet huimasti, koska kysyntä on kasvanut esimerkiksi hioma- ja teollisuussovelluksissa, mikä on johtanut kulutuksen, tuotantokustannusten, energialaskujen ja energiakustannusten nousuun. Samaan aikaan viimeaikainen teknologia, jossa piikarbidia valmistetaan jätemateriaaleista, on alentanut tuotantokustannuksia merkittävästi.

Synteettistä piikarbidia voidaan valmistaa Lely-prosessilla, jossa puhdasta piikarbidijauhetta sulatetaan suorakulmaisen poikkileikkauksen omaavissa sähkövastusuuneissa ennen sen seostamista joko fosforilla (N-tyyppisten puolijohteiden valmistukseen), berylliumalumiinilla tai boorilla p-tyyppisten puolijohteiden valmistukseen tai sintrataan keraamisiksi materiaaleiksi sintrausprosessilla. Kalliimpi tapa on kasvattaa kuutiomaista SiC:tä kemiallisella höyrypinnoituksella (CVD).

Säilytä sitä ilmatiiviissä tilassa, jotta vältetään hapen kanssa tapahtuvat reaktiot, jotka johtaisivat piidioksidin muodostumiseen ja mahdollisesti materiaalin vaurioitumiseen. Kuljetus 1000 kg:n säkissä tai 25 kg:n säkissä takaa asianmukaisen käsittelyn, suojan kosteudelta kuljetuksen aikana ja oikea-aikaisen saapumisen lopulliseen määränpäähän. Vaikka tämän materiaalin käsittelykustannukset ovat korkeammat kuin vastaavien teollisuusprosesseissa käytettävien metallien, varastointihinnat ovat yleensä edullisemmat tämän materiaalin osalta.