Ime in kemijska identiteta
Črki SiC sta kemijska simbola za silicij in ogljik, zato je SiC silicijev karbid, kovalentna spojina obeh elementov v razmerju ena proti ena in z molsko maso približno 40 gramov na mol. V naravi se pojavlja le redko, saj je mineral moissanit, v bistvu pa je ves komercialni material sintetičen. Silicijev karbid je izjemno trd, s trdoto po Mohsu od približno 9 do 9,5 in s trdoto po Knoopu blizu 2500, ohranja trdnost pri visoki temperaturi in je odporen proti oksidaciji, ker se na njegovi površini oblikuje zaščitna plast kremena. Njegova teoretična gostota je približno 3,21 grama na kubični centimeter, v čisti obliki pa je električno polprevoden, kar je osnova njegove uporabe v močnostni elektroniki.
Kako se proizvaja silicijev karbid
Silicijev karbid v razsutem stanju se proizvaja v Achesonovi peči, kjer se mešanica kremenčevega peska visoke čistosti in ogljika, običajno naftnega koksa, segreva s prehajanjem toka skozi grafitno jedro, dokler naboj ne doseže reakcijske temperature nad 2000 stopinj Celzija. Izdelek se oblikuje kot velik ingot, ki se zdrobi, zmelje, preseje in sortira, postopek pa je energetsko intenziven, zato je proizvodnja silicijevega karbida koncentrirana tam, kjer je energija poceni. Fini praški za keramiko in polprevodniško delo so izdelani po drugih poteh, vključno z reakcijo silicija z ogljikom in postopki parne faze, ki dajejo material zelo visoke čistosti z nadzorovano velikostjo delcev.
Črni in zeleni abrazivni razredi
Dva znana razreda abraziva sta črni silicijev karbid, izdelan iz kremenčevega peska in naftnega koksa in pogosto vsebuje nižjo vsebnost silicijevega karbida, ki je primeren za splošne namene, in zeleni silicijev karbid, izdelan iz čistejšega polnila, ki proizvaja višjo vsebnost silicijevega karbida in ostrejša, bolj drobljiva zrna. Črna zrna se uporabljajo za lito železo, kamen, steklo in neželezne kovine pri peskanju, brusih in prevlečenih abrazivih, medtem ko je zelena zrna prednostna za cementni karbid in druge trde, krhke materiale ter za delo, kjer je treba omejiti nastajanje toplote. Oba sta razvrščena glede na velikost mrežnih očes, pri čemer vsako število mrežnih očes določa pas velikosti delcev, vsebnost silicijevega karbida v razredu pa določa, koliko neabrazivnega minerala je prisotnega.
Ognjevarne in keramične oblike
Silicijev karbid se uporablja v ognjevzdržnih materialih kot surovina za opeke, zidake in pohištvo za peči zaradi svoje visoke toplotne prevodnosti, odpornosti na toplotni šok in kemične stabilnosti. Zaradi visoke toplotne prevodnosti in visoke temperaturne trdnosti je dragocen v toplotnih izmenjevalnikih in komponentah gorilnikov. Vezana in sintrana keramika iz silicijevega karbida služi kot mehanska tesnila, sestavni deli črpalk, obrabne plošče, šobe in oklep, kjer sta trdota in odpornost proti obrabi odločilni lastnosti. Reakcijsko vezan material je izdelan z infiltracijo predoblike silicijevega karbida in ogljika s staljenim silicijem, medtem ko se sintrani material zgosti z dodatki, ta dva postopka pa dajeta različne profile poroznosti, trdnosti in stroškov.
Električna in polprevodniška uporaba
Silicijev karbid je polprevodnik s širokim pasovnim razmakom in njegova zmožnost delovanja pri visoki napetosti in visoki temperaturi z nizkimi preklopnimi izgubami je postala pomembna v močnostni elektroniki. Naprave so zgrajene na monokristalnih rezinah, vzgojenih iz prahu visoke čistosti s fizičnim transportom hlapov, rezine pa morajo izpolnjevati zelo stroge omejitve glede napak mikrocevi, dislokacij in koncentracije dopanta. Enak prah visoke čistosti se uporablja za polprevodniško keramiko in za grelne elemente v visokotemperaturnih pečeh. Pri vseh teh uporabah je zahteva glede čistosti daleč višja kot pri materialu abrazivne kakovosti, zato se cena na kilogram med peskanjem za peskanje in elektronskimi rezinami razlikuje za velikostni red.
Pogosto zastavljena vprašanja
V: Kaj pomeni SiC?
SiC pomeni silicijev karbid, spojino silicija in ogljika, črke pa so preprosto kemijski simboli obeh elementov v razmerju ena proti ena.
V: Za kaj se uporablja silicijev karbid?
Uporablja se kot abraziv za brušenje in peskanje, kot ognjevzdržna surovina, kot strukturna keramika za tesnila in obrabne dele ter kot polprevodnik s širokim pasovnim razmakom v močnostni elektroniki.
V: Kakšna je razlika med črnim in zelenim silicijevim karbidom?
Črna zrna so narejena iz manj čistega polnila in ustrezajo splošnim abrazivnim delom na litem železu, kamnu in neželeznih kovinah, medtem ko so zelene zrna čistejša, ostrejša in boljša za trde materiale, kot je cementni karbid.
V: Kako trden je silicijev karbid?
Ima trdoto po Mohsu od približno 9 do 9,5 in trdoto po Knoopu blizu 2500, kar ga uvršča med najtrše industrijske materiale v razsutem stanju takoj za diamantom in kubičnim borovim nitridom.
V: Ali je silicijev karbid naraven ali sintetičen?
Skoraj ves komercialni silicijev karbid je sintetičen, proizveden v Achesonovi peči iz kremenčevega peska in ogljika, čeprav obstaja redka naravna oblika kot mineral moissanit.
V: Zakaj je elektronski silicijev karbid tako drag?
Ker morajo biti polprevodniške rezine vzgojene iz prahu zelo visoke čistosti in izpolnjevati izredno stroge omejitve glede kristalnih napak in dopantov, kar daleč presega zahteve abrazivnih ali ognjevzdržnih materialov.