Як зробити карбід кремнію

Карбід кремнію, надзвичайно міцний механічний матеріал, що використовується в багатьох галузях промисловості, знаходить все більше застосування. Його твердість перевершує твердість карбіду вольфраму.

Більшість карбіду кремнію виробляється за допомогою процесу Ачесона, який випадково створив Едвард Гудріч Ачесон, намагаючись отримати синтетичні алмази. Це найлегший і найпростіший спосіб виробництва карбіду кремнію.

Процес Ачесона

Виробництво карбіду кремнію в усьому світі значною мірою спирається на давню технологію, відому як процес Ачесона. За цим методом чистий кварцовий пісок і кокс змішують в електричній печі при високій температурі, після чого вони вступають в реакцію один з одним, утворюючи карбід кремнію.

Карбід кремнію (SiC) - чудовий керамічний матеріал. За твердістю він поступається лише алмазу та кубічному нітриду бору, що робить його дуже стійким до зносу та корозії. Крім того, SiC демонструє чудову міцність при високотемпературному навантаженні, а також стійкість до термічних ударів - плюс хімічну інертність до лугів і кислот.

Карбід кремнію можна отримати за допомогою високотемпературних реакцій за участю кремнію з вуглецевими прекурсорами, такими як вугілля або нафтовий кокс, в той час як альтернативні джерела кремнію можуть бути відновлені за допомогою відновлення монооксиду вуглецю.

У процесі Ачесона реакційні суміші упаковують навколо електричного резистора в спеціальній печі, а електричний струм проходить через нього, нагріваючи його до високих температур, необхідних для синтезу SiC. Вимірювання температури здійснюється за допомогою оптичних пірометрів, розміщених уздовж різних стінок печі.

Під час реакції кремнію з вуглецем утворюються гази, які необхідно вивести з реакційної маси. Щоб запобігти утворенню летких сполук, бажано максимально підвищити загальну температуру, маючи при цьому достатній об'єм реакційного простору; для цього над реакційною сумішшю необхідно розмістити засоби накриття, щоб покрити принаймні частину її поверхні в печі Ачесона. Цей винахід забезпечує спосіб для досягнення цього.

Ці засоби захисту оснащені атмосферою аргону низького тиску для полегшення газових реакцій, що відбуваються в реакційній зоні, і їх ефективної нейтралізації, допомагаючи запобігти утворенню летких сполук, які важко видалити з реакційної маси.

Кришки також повинні мати високу повітропроникність, щоб реакційні гази могли виходити через них, не втрачаючись у навколишніх вогнетривах, що підвищує їх ефективність і полегшує очищення газоподібних продуктів виробництва карбіду кремнію.

Хімічні реакції

Карбід кремнію (SiC) - одна з найтвердіших відомих речовин, що робить його ідеальним матеріалом для виготовлення шліфувального паперу, ріжучих інструментів, шліфувальних кругів і металорізальних верстатів. Крім того, карбід кремнію використовується у багатьох галузях промисловості, таких як металургія та виробництво вогнетривів; однак, карбід кремнію не може бути отриманий природним шляхом, а повинен бути синтезований за допомогою хімічних процесів.

Найпоширеніший метод виробництва карбіду кремнію відомий як реакція Ачесона, названа на честь американського хіміка Едварда Гудріча Ачесона. У цьому процесі кварцовий пісок і вуглець у вигляді меленого коксу змішують разом, а потім поміщають навколо електричної печі опору в електричну піч опору, через яку пропускають електричний струм, що викликає хімічну реакцію, яка перетворює кремній і вуглець в кристали карбіду кремнію.

Реакція Лелі - це ще один спосіб створення карбіду кремнію; порошкоподібний кремній і вуглець змішують і поміщають у графітовий тигель перед нагріванням до високих температур для отримання карбіду кремнію, який потім сублімується на графітовому стрижні в центрі тигля і утворює чисті кристали, які потім можна відокремити за допомогою центрифуги або інших засобів розділення.

Хімічне осадження з газової фази пропонує ще один метод створення кубічних пластин карбіду кремнію; однак цей підхід, як правило, набагато дорожчий і частіше використовується для досліджень і розробок електронних компонентів.

Незалежно від методу виробництва, обидві реакції призводять до утворення реакційно зв'язаного карбіду кремнію (RB-SiC). RB-SiC потім використовується для виготовлення таких продуктів, як вогнетривка карбідна крихта, керамічні сопла, ізолятори, електроди, зносостійкі покриття і зносостійкі покриття; відмінна альтернатива спеченому SiC, коли корозійна стійкість або твердість не є вимогою. Washington Mills пропонує різні хімічні склади та розміри RB-SiC, які можуть бути використані в різних галузях промисловості, включаючи, але не обмежуючись ними:

Фізичні реакції

Карбід кремнію (SiC) - це хімічна сполука кремнію та вуглецю, яка має виняткові механічні властивості, що роблять його корисним у різних сферах застосування - від абразивів та ріжучих інструментів до імітаторів алмазів та коштовного каміння. Хоча в природі SiC зустрічається у вигляді рідкісного мінералу, відомого як муассаніт, більшість комерційного карбіду кремнію отримують синтетичним шляхом.

Процес Ачесона є стандартним методом виробництва карбіду кремнію. Ця процедура передбачає нагрівання суміші кварцового піску і коксу при високих температурах в електричній печі опору, відомій як графітова піч Ачесона, щоб викликати реакції між кремнеземом і вуглецем, утворюючи кристалічну масу SiC, яку можна або подрібнити в порошок, або сформувати в кульки для подальшого різання алмазними лезами.

Цей процес повинен відбуватися в інертній атмосфері, наприклад, в середовищі аргону, щоб захистити реагенти від забруднення киснем та іншими домішками, перед нагріванням для отримання чистого кубічного карбіду кремнію.

Чистий діоксид титану має вигляд світло-жовтого, зеленого або синювато-чорного порошку, який сублімується при 2700 градусів за Цельсієм і має густину 3,21 г см-3. Однак він залишається нерозчинним у воді, але розчиняється лугами або розплавленим залізом при підвищених температурах.

Висока температура плавлення, низька в'язкість і теплопровідність карбіду кремнію роблять його ідеальним матеріалом для виробництва вогнетривких виробів, таких як цегла, плитка та блоки. Крім того, карбід кремнію використовується в електричних пристроях, таких як свічки запалювання та ізолятори.

Карбід кремнію є одним з основних чинників прогнозованого домінування електромобілів на автомобільних ринках, оскільки він зменшує залежність від активних систем охолодження, які збільшують вагу, вартість і складність.

Однак, як і в будь-якій технології, завжди є місце для вдосконалення. Сучасний процес виробництва карбіду кремнію вимагає значних трудовитрат і утворення відходів, які можна було б мінімізувати за рахунок підвищення ефективності виробничих методів - наприклад, використання більш ефективних конструкцій печей може значно знизити споживання енергії до 50% і підвищити продуктивність в цілому.

Термічна обробка

Карборунд (або скорочено "карбо") - це тверда хімічна сполука, що складається з кремнію та вуглецю і зустрічається в природі у вигляді дорогоцінного каменю муассаніту. З 1893 року його масово виробляють у вигляді порошку за методом Лелі та монокристалів методом спікання. Спіканням отримують кераміку, яка використовується у виробах, що вимагають високої витривалості, таких як автомобільні гальма та бронежилети, а також як абразивна речовина. Карбоніт також використовується як абразивний матеріал.

Карбід кремнію промислового класу виробляється в електричних печах з використанням скляного піску, низькозольного вугілля або високоякісного нафтового коксу як вихідних матеріалів. Однак навіть при використанні високоякісних вихідних матеріалів цей процес має тенденцію виробляти домішки, що містять алюміній, магній, кальцій, графіт і вільний кремній; ці домішки можна видалити шляхом промивання на гарячій водяній бані або хімічного осадження перед механічною обробкою і спіканням у вакуумі для отримання порошкоподібного карбіду кремнію від темно-коричневого до чорного кольору з райдужним блиском!

Цей винахід описує спосіб отримання чистого кубічного карбіду кремнію, надзвичайно корисного напівпровідникового матеріалу, який виконує як напівпровідникові, так і електролюмінесцентні функції. Для його отримання розчини цукру змішують з тетрахлоридом кремнію до утворення гелю, потім висушують для розкладання кристалів цукру перед нагріванням в атмосфері (переважно аргону) для створення карбіду кремнію.

Винахідник стверджує, що для оптимального результату кінцевий продукт повинен містити три атоми кремнію на кожен атом вуглецю. Це співвідношення можна змінювати, змінюючи концентрацію цукру в розчині. Після того, як карбід кремнію утворився, його необхідно подрібнити до потрібного розміру частинок за допомогою таких методів, як подрібнення, просіювання, центрифугування та дробеструйная обробка перед подальшим очищенням в електричній печі у вакуумі або в нереактивній атмосфері для отримання високоцінних продуктів з карбіду кремнію. Цей процес забезпечує ефективний і економічний спосіб виробництва високоцінних виробів з карбіду кремнію.