Ako sa vyrába karbid kremíka?

Karbid kremíka (SiC) je tvrdý, chemicky inertný materiál, ktorý sa široko používa ako abrazívum aj ako keramická zložka vo výrobkoch s vysokou odolnosťou. SiC je k dispozícii v rôznych veľkostiach zŕn a formátoch spojiva s rôznymi úrovňami čistoty a hustoty, a preto ho možno nájsť všade, od priemyselných aplikácií až po výrobné zariadenia spotrebného tovaru.

SiC prvýkrát komerčne masovo vyrobil Edward Goodrich Acheson v roku 1891 svojím Achesonovým procesom po tom, čo pri zahrievaní elektricky zahriateho roztoku hliny a práškového koksu objavil čierne kryštály podobné moissanitu.

Chemický proces

Karbid kremíka (SiC) je extrémne tvrdý materiál s jedinečnými keramickými a polovodičovými vlastnosťami, vďaka čomu je fantastickou voľbou pre aplikácie odolné voči vysokým teplotám a opotrebovaniu. Vďaka svojim polovodičovým vlastnostiam so širokou pásmovou medzerou môže SiC pracovať pri oveľa vyšších teplotách ako bežné polovodiče a zároveň sa môže pochváliť vynikajúcou odolnosťou proti oderu, keramickou pevnosťou a elektrickými vlastnosťami - vlastnosťami, ktoré významne prispeli k revolúcii vo výkonovej elektronike, ktorá v súčasnosti prebieha.

SiC sa môže vyskytovať v prírode ako minerál moissanit vo veľmi obmedzenom množstve; jeho hlavné použitie v priemysle je však syntetická výroba. Jedna z bežne používaných metód je známa ako Achesonov proces, ktorý prvýkrát náhodne objavil Edward Goodrich Acheson pri pokuse o vytvorenie diamantov v roku 1891. Primiešaním práškového kremičitého koksu do elektrickej pece a prechodom elektrického prúdu sa Achesonovi podarilo vytvoriť tvrdé modré kryštály, ktoré nazval "karborundum".

Tento proces sa v súčasnosti vo veľkej miere používa na výrobu SiC, pričom Achesonov návrh na jeho výrobu využíva niekoľko závodov po celom svete. Postup sa začína zmiešaním veľkého množstva kremičitého piesku a práškového uhlíkového koksu pred zahrievaním v elektrickej peci vybavenej grafitovou tyčou ako chladičom, aby sa zabránilo tvorbe karbidu kremíka z plynného oxidu uhoľnatého.

Po ochladení zmes stuhne na valcovitý ingot s vrstvami a-SiC, b-SiC a nezreagovaného materiálu na vonkajšej strane. B-SiC sa vyznačuje hrubou kryštálovou štruktúrou, zatiaľ čo A-SiC sa môže pochváliť veľmi jemnou štruktúrou; potom sa tieto zelené alebo čierne ingoty SiC môžu ďalej spracovávať v závislosti od ich zamýšľaného použitia - niekedy sa drvia, melú a chemicky upravujú, aby sa dosiahla kvalita pre každé použitie.

Na vytvorenie konečného produktu sa a-SiC rozomelie na prášok a potom sa zmieša s neoxidovými spekárskymi pomocnými látkami, ako je organokremičitý, aby sa vytvorila pasta. Po vytvorení sa táto pasta môže zhutniť a vytvarovať buď vytláčaním, alebo izostatickým lisovaním za studena, aby sa vytvoril spekaný materiál, ktorý potom prechádza rôznymi kontrolami, testami a kontrolami kvality, aby sa zabezpečilo, že spĺňa špecifické potreby aplikácie.

Fyzický proces

Karbid kremíka vzniká zahrievaním kremičitého piesku s uhlíkom z uhlia alebo ropného koksu s nízkym obsahom popola (bežne označovaného ako smolný koks). Tento materiál sa v prírode vyskytuje v nepatrných množstvách ako moissanit; väčšina komerčnej výroby však zahŕňa syntetické metódy a má širšie pásové rozhranie ako kov pre lepšie elektrické aplikácie.

Tento proces, známy ako Lelyho metóda, využíva žulový téglik zahriaty na vysokú teplotu 2700 stupňov Celzia, aby sa kremík a uhlík sublimovali do kryštálov karbidu kremíka - čisté kryštály karbidu kremíka sú bezfarebné; priemyselné výrobky niekedy obsahujú prímesi železa. Po zahriatí na tieto teploty sa kryštály pri nižších teplotách ukladajú na grafit a nakoniec sa z nich stávajú priemyselné (a-SiC) alebo metalurgické (b-SiC) výrobky.

Materiály vyrobené z karbidu kremíka majú početné uplatnenie v rôznych oblastiach, od brúsnych materiálov a rezných nástrojov až po polovodičovú elektroniku a výrobu opotrebiteľných dielov. Vďaka ich tvrdosti (9 na Mohsovej stupnici) sú vyhľadávané najmä v metalurgickom a žiaruvzdornom priemysle, a to vďaka svojim antikoróznym vlastnostiam, ako aj vďaka tomu, že sa používajú na odolnosť proti korózii a oderu - ideálnym vlastnostiam, vďaka ktorým je tento húževnatý materiál skvelý na výrobu opotrebiteľných dielov. Karbid kremíka sa môže pochváliť aj vynikajúcimi elektroizolačnými vlastnosťami, vďaka čomu je vhodný na použitie v elektronike vďaka svojej schopnosti odolávať veľmi vysokému napätiu - ideálny na výrobu opotrebiteľných dielov!

Karbid kremíka existuje ako dva polymorfy: a-SiC a b-SiC, pričom každý z nich má vlastnú kryštálovú štruktúru. A-SiC je rozšírenejší z týchto dvoch foriem a vykazuje hexagonálnu kryštálovú štruktúru podobnú wurtzitu, zatiaľ čo b-SiC sa zvyčajne vyznačuje štruktúrou zinku blende; ani jedna z týchto foriem karbidu kremíka nie je taká populárna.

a-SiC je vo všeobecnosti preferovanou priemyselnou formou karbidu kremíka a mal by byť jeho prvou voľbou pre vysokoteplotné aplikácie. Hoci je drahší, jeho vynikajúca tvrdosť a tepelná vodivosť ho robia obzvlášť vhodným na tieto účely. Okrem toho ho možno ešte viac spevniť a zvýšiť jeho odolnosť proti oderu; takéto možnosti dopovania môžu zahŕňať prídavky dusíka, fosforu alebo berýlia.

Chemické zloženie robí a-SiC ideálnym na použitie ako keramický, anorganický materiál. Keramika sa často zamieňa s karbidom kremíka kvôli ich podobným fyzikálnym vlastnostiam; strojní inžinieri však zvyčajne označujú ako keramiku nečisté kryštality a-SiC spojené rôznymi spojivami pod vysokým tlakom a teplotou, zatiaľ čo elektrotechnici používajú tento termín na označenie čistých doštičiek tohto materiálu.

Mechanický proces

Karbid kremíka je mimoriadne tvrdý materiál, druhý najtvrdší po diamante. Zrná tohto materiálu, ktoré sa prirodzene nachádzajú v moissanite a masovo sa vyrábajú od roku 1893 ako brúsivo, sa dajú spájať aj spekaním, čím vznikajú veľmi tvrdé keramické materiály, ktoré sa používajú napríklad v brzdách automobilov a nepriestrelných vestách, ako aj v priehľadných keramických formách známych ako brikety na použitie so svetelnými diódami (LED).

Karbid kremíka na použitie v kovoobrábaní a žiaruvzdorných materiáloch sa zvyčajne vyrába pomocou elektrickej odporovej pece vybavenej stenami z uhlíkových vodičov. Cez tento vodič potom prechádza prúd, ktorý iniciuje chemickú reakciu medzi uhlíkom z koksu a oxidom kremičitým v piesku, ktorej výsledkom je čistý kubický prášok karbidu kremíka, ktorý má svetložltý odtieň.

Výroba karbidu kremíka sa riadi touto všeobecnou metódou, hoci sa môžu vyskytnúť odchýlky. Niektorí výrobcovia používajú žiaruvzdornú hlinu, ktorá sa pred zahrievaním kombinuje s práškom, aby sa zabránilo rastu hrdla; iné postupy vytvárajú hustejšie formy infiltráciou vypáleného telesa plynným alebo tekutým kremíkom.

Extrémna tvrdosť karbidu kremíka a jeho odolnosť voči opotrebovaniu, vysokým teplotám a tepelným šokom z neho robia neoceniteľný materiál. Karbid kremíka zohráva významnú úlohu pri výrobe ocele, pretože zvyšuje účinnosť pece tým, že produkuje čistejšie železo. Okrem toho karbid kremíka slúži ako vynikajúci žiaruvzdorný materiál vďaka svojej odolnosti voči teplu a tepelným šokom.

Pevnosť, tvrdosť a lámavosť karbidu kremíka z neho robí nenahraditeľný materiál pre brúsne kotúče používané na obrábanie ocele, oxidov hliníka a keramiky. Okrem toho jeho schopnosť odolávať požiadavkám na vysoké napätie z neho robí hlavného kandidáta pre elektromotory a generátory v elektrických vozidlách; okrem toho je ideálny pre vysokorýchlostné alternátory v elektrických automobiloch, pretože jeho použitie pomáha predĺžiť dojazd a zároveň znížiť veľkosť a hmotnosť systémov na uskladnenie energie.

Elektrický proces

Karbid kremíka je jedným z najtvrdších materiálov, aké človek pozná, ale medzi jeho ďalšie užitočné vlastnosti patrí chemická a tepelná odolnosť, ako aj vysoká pevnosť a trvanlivosť. Polovodičové vlastnosti robia tento materiál mimoriadne atraktívnym, pretože umožňujú jeho použitie v elektronických zariadeniach, ktoré zosilňujú, prepínajú alebo konvertujú signály v rámci elektrického obvodu. Okrem toho karbid kremíka pracuje pri vyšších teplotách a frekvenciách ako tradičné kremíkové polovodiče, čo z neho robí vynikajúcu voľbu pre aplikácie výkonovej elektroniky.

Karbid kremíka prvýkrát umelo syntetizoval chemik Edward Goodrich Acheson v roku 1891 pri pokuse vyrobiť diamanty prechodom elektrického prúdu cez hlinu. Namiesto toho Acheson objavil tvrdé čierne kryštály pripomínajúce oxid kremičitý, ktoré boli komercializované ako priemyselné brúsivo pod pôvodným názvom karborundum.

Výrobcovia používajú riadený vysokoteplotný proces na výrobu monokryštalického karbidu kremíka s použitím základných materiálov s vysoko čistým kremíkom a uhlíkom, zvyčajne prostredníctvom práškového zdrojového materiálu ako suroviny na rast kryštálov v prostredí bez znečistenia ovzdušia alebo prachu.

Základné materiály sa kombinujú v peci a vystavujú sa intenzívnemu teplu a tlaku, aby sa vytvoril jediný kryštál s veľkým priemerom. Tento kryštál je veľmi dôležitý, pretože jeho vlastnosti určujú, čo sa nakoniec stane karbidom kremíka; preto musí byť jeho kvalita bezchybná. Okrem toho musí byť koncentrácia východiskového materiálu presne nastavená tak, aby sa karbid kremíka vyrábal v súlade s požadovanou stechiometriou: tri atómy uhlíka na každé dva atómy kremíka vyrobené pri výrobe karbidu kremíka.

Po ochladení sa ingot starostlivo rozdrví a zatriedi, niekedy sa opäť pomelie a potom sa chemicky upraví, aby sa dosiahli špecifické vlastnosti pre konkrétne použitie. Výsledný materiál je húževnatá keramika s vynikajúcou tvrdosťou 9 na Mohsovej stupnici, ktorá je vysoko odolná voči korózii a chemicky inertná voči väčšine zásad a kyselín - a vysoko stabilná pri vysokých teplotách.

Po narezaní na plátky sa tieto ingoty krájajú a tvarujú rôznymi technikami do výrobkov vhodných na konkrétne použitie. Po dokončení tvarovania musí spekaný karbid kremíka prejsť rozmerovými skúškami a kontrolami, aby sa zabezpečilo, že pred uvoľnením na použitie spĺňa normy kvality.