Назва та хімічна ідентичність
Літери SiC є хімічними символами для кремнію та вуглецю, тому SiC — це карбід кремнію, ковалентна сполука двох елементів у співвідношенні один до одного з молярною масою приблизно 40 грамів на моль. У природі він зустрічається лише рідко, як мінерал муасаніт, і, по суті, всі комерційні матеріали є синтетичними. Карбід кремнію надзвичайно твердий, з твердістю за Моосом приблизно від 9 до 9,5 і твердістю за Кнупом близько 2500, він зберігає міцність при високій температурі та протистоїть окисленню, оскільки на його поверхні утворюється захисний шар кремнезему. Його теоретична щільність становить близько 3,21 грама на кубічний сантиметр, і він є електрично напівпровідниковим у чистому вигляді, що є основою його використання в силовій електроніці.
Як отримують карбід кремнію
Насипний карбід кремнію виготовляється в печі Ачесона, де суміш високочистого кварцового піску та вуглецю, як правило, нафтового коксу, нагрівається шляхом пропускання струму через графітовий сердечник, доки температура шихти не досягне температури реакції вище 2000 градусів за Цельсієм. Продукт формується у вигляді великого злитка, який подрібнюють, подрібнюють, просівають і сортують, і цей процес є енергоємним, тому виробництво карбіду кремнію зосереджено там, де електроенергія дешева. Тонкі порошки для кераміки та напівпровідників виготовляються іншими способами, включаючи реакцію кремнію з вуглецем і парофазні процеси, які дають матеріал дуже високої чистоти з контрольованим розміром частинок.
Чорний і зелений сорти абразиву
Двома відомими марками абразиву є чорний карбід кремнію, виготовлений з кварцового піску та нафтового коксу, який часто містить менший вміст карбіду кремнію, що підходить для загальної роботи, і зелений карбід кремнію, виготовлений із чистішої шихти, яка дає вищий вміст карбіду кремнію та гостріше, більш крихке зерно. Чорне зерно використовується для чавуну, каменю, скла та кольорових металів при піскоструминній обробці, шліфувальних кругах і абразивах з покриттям, тоді як зелене зерно є кращим для цементованого карбіду та інших твердих, крихких матеріалів і для робіт, де необхідно обмежити виділення тепла. Обидва класифікуються за розміром вічка, причому кожне число вічок визначає діапазон розміру частинок, а вміст карбіду кремнію в класі визначає кількість неабразивного мінералу.
Вогнетривкі та керамічні форми
Карбід кремнію використовується у вогнетривах як сировина для цегли, литих плит і меблів для печей через його високу теплопровідність, стійкість до термічного удару та хімічну стабільність. Його висока теплопровідність і високотемпературна міцність роблять його цінним у теплообмінниках і компонентах пальників. Склеєна та спечена карбідокремнієва кераміка служить механічним ущільненням, компонентами насоса, захисними пластинами, соплами та бронею, де твердість і зносостійкість є вирішальними властивостями. Реакційно зв’язаний матеріал виготовляється шляхом інфільтрації карбіду кремнію та вуглецевої преформи розплавленим кремнієм, тоді як спечений матеріал ущільнюється за допомогою добавок, і ці два процеси дають різні профілі пористості, міцності та вартості.
Застосування в електриці та напівпровідниках
Карбід кремнію є напівпровідником із широкою забороненою зоною, і його здатність працювати при високій напрузі та високій температурі з низькими втратами при перемиканні зробила його важливим у силовій електроніці. Пристрої побудовані на монокристалічних пластинах, вирощених із порошку високої чистоти шляхом фізичного транспортування пари, і пластини мають відповідати дуже жорстким обмеженням на дефекти мікротрубок, дислокації та концентрацію допантів. Той самий порошок високої чистоти використовується для напівпровідникової кераміки та для нагрівальних елементів у високотемпературних печах. У всіх цих випадках вимоги до чистоти значно перевищують вимоги до абразивного матеріалу, тому ціна за кілограм відрізняється на порядки величини між піскоструминним піском і електронними пластинами.
Часті запитання
Q: Що означає SiC?
SiC означає карбід кремнію, сполуку кремнію та вуглецю, а літери є просто хімічними символами двох елементів у співвідношенні один до одного.
З: Для чого використовується карбід кремнію?
Він використовується як абразив для шліфування та вибухової обробки, як вогнетривка сировина, як конструкційна кераміка для ущільнень і деталей, що зношуються, і як широкозонний напівпровідник у силовій електроніці.
З: Яка різниця між чорним і зеленим карбідом кремнію?
Чорне зерно виготовляється з менш чистої шихти та підходить для загальної абразивної роботи з чавуном, каменем і кольоровими металами, тоді як зелене зерно є чистішим, гострішим і кращим для твердих матеріалів, таких як цементований карбід.
З: Наскільки твердий карбід кремнію?
Він має твердість за Моосом приблизно від 9 до 9,5 і твердість за Кнупом близько 2500, що ставить його серед найтвердіших сипучих промислових матеріалів після алмазу та кубічного нітриду бору.
З: Карбід кремнію натуральний чи синтетичний?
Майже весь комерційний карбід кремнію є синтетичним, виробляється в печі Ачесона з кварцового піску та вуглецю, хоча існує рідкісна природна форма як мінерал муасаніт.
З: Чому карбід кремнію електронного класу такий дорогий?
Тому що напівпровідникові пластини мають бути вирощені з порошку дуже високої чистоти та відповідати надзвичайно жорстким обмеженням щодо кристалічних дефектів і легуючих добавок, що значно перевищує вимоги до абразивних або вогнетривких матеріалів.