Применение карбида кремния: Карбид кремния (карборунд): что это такое?

Содержание

Карбид Кремния (Карборунд): Что Это Такое, Применение

Карбид кремния (карборунд, SiC) – синтетический материал, соответствующий по составу и свойствам минералу муассанит. Является неорганическим бинарным соединением кремния с углеродом.

Представляет собой бесцветные кристаллы с бриллиантовым блеском в чистом виде, в форме технического продукта может приобретать различную окраску – зеленую, черную, желтую или серую (из-за примесей железа). Внешне напоминает уголь антрацит, но, в отличие от него, переливается всеми цветами радуги.

Природный минерал муассанит содержится в очень малых количествах в месторождениях кимберлита и корунда, а также в некоторых типах метеоритов. Впервые он был обнаружен в 1893 году А. Муассаном, в честь которого впоследствии был назван. Муассанит широко распространен в космосе в пылевых облаках вокруг звезд, богатых углеродом.

Получение карборундовых кристаллов

Из-за незначительного нахождения в природе материал чаще всего получают синтетическим путем. Впервые он был получен в виде порошка и начал производиться Э.Г. Ачесоном в промышленных масштабах также в 1893 году.

Э.Г. Ачесон запатентовал метод получения порошкообразного SiC и разработал электрическую графитовую печь для его синтезирования. Это был очень простой способ, подразумевающий спекание углерода с кремнеземом при температурах 1600-2500°C. Чистота полученного карборунда зависела от расстояния до графитового резистора в ТЭНе. Материал производила компания The Carborundum Company, и сначала он применялся только в качестве абразива.

Сейчас чистый карбид кремния (silicon carbide/karbid) также может быть синтезирован методом термического разложения полиметилсилана, при низких температурах в атмосфере инертного газа. Такой способ более удобен, так как из полимера перед запеканием в керамику можно сформировать изделие любой формы.

Свойства

Карборунд обладает уникальными характеристиками: он очень твердый и уступает по степени прочности только алмазу. Является инертным материалом – не реагирует с кислотами (кроме плавиковой, азотной и ортофосфорной) и другими веществами.

Может подвергаться нагреванию до 1500°С на открытом воздухе, не плавится при любом давлении, но способен сублимировать при t выше 1700°С. Такая термическая устойчивость обусловила другую сферу применения материала – он начал использоваться для изготовления подшипников и элементов оборудования для высокотемпературных печей.

Карбид кремния отличается также высокой теплопроводностью, плотностью электрического тока и электрическим напряжением, за счет чего вызывает значительный интерес в качестве полупроводника в электронике. Он обладает очень малым коэффициентом теплового расширения и не испытывает фазовых переходов, способных привести к разрушению монокристаллов.

Кроме того, за счет сильных химических связей материал имеет высокую радиационную и химическую стойкость, механическую прочность и твердость, а также термическую стабильность физических свойств. Благодаря уникальным характеристикам карборунд получил широкую сферу использования.

Применение

Карбид кремния используется в качестве абразивного материала для хонингования, шлифования, пескоструйной обработки и водоструйной резки. С его помощью производят детали металлургической и химической аппаратуры, функционирующей при высоких температурах.

Кроме того, материал применяется:

при производстве бронежилетов;

для изготовления сверхмощных светодиодов;

в производстве дисковых тормозов высокого качества;

для получения нагревательных приборов;

в ювелирном деле;

при создании зеркальных элементов в оптических системах;

в ядерной энергетике;

в качестве катализатора в процессах органического синтеза;

в строительной области.

Карборунд относится к 4-му классу опасности по степени воздействия на организм человека. При работе с ним необходимо использовать защитные средства (очки, резиновые перчатки, маску).

Мария Бурганова
,
20.12.2017 г.

16647

Применение карбида кремния в качестве абразива для нанесения на губку

Карбид кремния – это неорганическое соединение кремния с углеродом, посредством химической реакции. Химическая формула SiC. Карбид кремния используется как абразив и полупроводник. Довольно широко его применение не только в металлургии, но и в быту. Из поликристаллического SiC выращивают монокристаллы или путем дробления получают порошки. Таки порошки использую в бытовых целях, благодаря высокой твердости, химической устойчивости и износостойкости карбид кремния широко применяется как абразивный материал. Применяется он не только при шлифовании или резании различных других материалов, но и в самых обычных целях, для изготовления твердого абразивного материала простой губки для мытья посуды. Нанесение карбида кремния на поверхность губки в разы позволяет увеличить ее практичность и лучше справиться с различными видами грязи и налетов. Твердые частицы кремния легко устраняют загрязнения, поэтому карбид кремния активно используется в производстве губок общего назначения.

Для изготовления твердой стороны губки используются абразивы на твердой основе. Такие абразивы производятся посредством соединения абразивных зерен, которые соединяются в единое целое при помощи связки, которая чаще всего является смоляной, с добавлением наполнителей. Абразивные зерна соединяют в единое целое и смешивают с другими веществами, входящими в состав твердого покрытия губки, затем этот слой наносится на пористую структуру губки, с одной стороны или же со всех сторон.
Карбид кремния гораздо тверже, чем, например, оксид алюминия, однако кремний обладает большей ломкостью. Регулируя количество энергии, используемой в процессе изготовления карбида кремния, можно получить либо черную, либо зеленую его разновидность. Черный карбид кремния содержит больше примесей по сравнению с зеленым карбидом кремния.
Для производства подобных губок и других изделий с применением карбида кремния используется технология реакционного спекания. Происходит прессования смеси порошков карбида кремния и, зачастую, графита, это позволяет достичь достаточно шероховатой поверхности, которая, в дальнейшем позволяет губке с таким покрытием хорошо справляться с различными видами грязи и налетами. Карбид кремния достаточно хорошо зарекомендовал себя в качестве использования его в изготовлении подобных абразивных губок, так как он очень устойчив к химическим воздействиям, при соприкосновении с моющими средствами он не теряет своих свойств и продолжает служить долгое время.

Применение губок с нанесением карбида кремния

Губки с нанесением на поверхность карбида кремния имеют достаточно шероховатую и абразивную поверхность, что позволяет гораздо лучше и удобнее отмывать и соскабливать грязь с поверхности посуды. Такие губки хорошо справятся с застывшими или прилипшими остатками пищи, с гарью, различными видами налетов. Благодаря твердым частицам карбида кремния, которые наносятся на поверхность такой губки, при соприкосновении с грязной посудой происходит трение, и твердые частицы легко устраняют частички грязи и остатки пищи с любой поверхности. Поэтому в быту достаточно широкое применение получили именно губки с нанесением карбида кремния. Такие губки отлично справляются с грязью и налетами, гораздо лучше обычных поролоновых губок, помимо этого, срок эксплуатации таких губок в разы выше, так как карбид кремния устойчив к коррозии, к воде, а также химическим средствам, которыми мы пользуемся при мытье посуды.

Производство карбида кремния для губок с нанесением карбида кремния

Карбид кремния на территории СНГ производит ОАО «Волжский Абразивный Завод», ПАО «Запорожский Абразивный Комбинат».

Уникальные свойства и области применения карбида кремния

В серии блогов «Основы карбида кремния» мы рассмотрим множество различных свойств карбида кремния. Давайте начнем с краткого обзора свойств и областей применения этого необычного материала.

Хотя это может показаться недавней инновацией, карбид кремния (SiC) на самом деле использовался с конца 1800-х годов, начиная с абразивного материала, а затем нашел применение в самых разных отраслях промышленности (включая полупроводники). Широкое использование карбида кремния является естественным следствием исключительных физических свойств материала.

Удивительные свойства SiC

SiC, также известный как карборунд, представляет собой комбинацию кремния и карбида в кристаллической структуре, и существует около 250 различных кристаллических форм, в которых можно найти SiC. Карбид кремния может принимать самые разные формы: отдельные зерна SiC можно спекать вместе, образуя прочную керамику; волокна SiC могут быть добавлены к полимерной матрице для формирования композитного материала, а большие отдельные кристаллы силикона могут быть выращены для использования в полупроводниковых приложениях. SiC также встречается в природе, хотя и редко, в виде минерала муассанита.

Легкий и прочный

SiC имеет среднюю плотность порядка 3 г/см3, что делает его относительно легким. Он химически инертен и устойчив к коррозии, не подвергается воздействию кислот, расплавленных солей и щелочей даже при воздействии температур до 800°С. SiC — чрезвычайно твердый и прочный материал (что имеет смысл, учитывая его применение в качестве абразивного материала).

SiC имеет очень низкий коэффициент теплового расширения, что означает, что даже при экстремальных перепадах температуры он остается стабильным в размерах (например, он не будет значительно расширяться при воздействии тепла или значительно сжиматься при воздействии холода). Он также обладает отличной термостойкостью.

Возвышенный материал

Одним из наиболее удивительных свойств карбида кремния является его способность к сублимации: при достаточно высоких температурах карбид кремния пропускает жидкую форму и сразу переходит в газообразную форму. Это означает, что он превращается в пар, а не плавится. Температура сублимации карбида кремния (где происходит этот переход из твердого состояния в пар) составляет около 2700°C (что составляет примерно половину температуры поверхности Солнца).

В качестве полупроводникового материала металлическая проводимость может быть достигнута путем сильного легирования азотом, алюминием или бором. Он может быть легирован n-типом фосфора или азота и p-типа галлием, алюминием, бором или бериллием.

Множество применений карбида кремния

Помимо применения в полупроводниках, SiC также используется в таких продуктах, как пуленепробиваемые жилеты, керамические пластины, тонковолоконные пирометры, литейные тигли и автомобильные сцепления. Что касается электрических применений, одним из первых его применений было использование в качестве молниеотвода в высоковольтной энергосистеме, поскольку инженеры и ученые признали, что карбид кремния хорошо работает даже в присутствии высокого напряжения и высоких температур. Более современные применения карбида кремния в электронике включают диоды Шоттки, МОП-транзисторы и силовую электронику.

Независимо от того, используется ли он в качестве абразивного полирующего материала или полупроводника для диода Шоттки, SiC, безусловно, прочен и многогранен. Сублимация, чрезвычайная химическая инертность и коррозионная стойкость, отличные термические свойства и возможность выращивания в виде монокристаллической структуры — вот лишь некоторые из его выдающихся свойств.

Карбид кремния (SiC): свойства и применение

Карбид кремния

Что такое карбид кремния (SiC)

Карбид кремния был наиболее широко используемым материалом для конструкционной керамики. Такие характеристики, как относительно низкое тепловое расширение, большое отношение силы к массе, высокая теплопроводность, твердость, стойкость к истиранию и коррозии, а главное, сохранение упругого сопротивления при температурах до 1650°С, привели к широкому диапазон использования.

Технология производства

Карбиды кремния для конструкционного использования можно классифицировать как: спеченные, связанные реакцией, жидкофазные и спеченные в твердом состоянии. Связанный реакцией SiC4 представляет собой соединение сплошной матрицы SiC с содержанием кремния от 5 до 20% и металла, заполняющего оставшийся объем. Для формирования этого материала в порошкообразную заготовку, содержащую уголь, добавляют в виде порошка или продукта разложения смолы из источника углерода, пропитывают кремнием при температуре около 1500°С при непосредственном контакте или с использованием паров кремния.

Кремний вступает в реакцию с углеродной заготовкой, образуя структуру, соединяющую SiC. Оставшийся избыток кремнезема заполняет остаточное поровое пространство и дает полностью плотный продукт, сохраняющий структурную целостность до 1370°С. Кремний плавится при 1410°С. Заготовку можно изготавливать любым из традиционных керамических процессов. С другой стороны, низкие температуры (1500 ºC), используемые во время реакции связывания, в сочетании с гибкостью размера и чистотой порошка обеспечивают получение продукта хорошего качества по разумной цене.

Свойства карбида кремния

Характеристики модуля упругости и теплового расширения определяются характеристиками самого кристалла SiC, а теплопроводность или температуропроводность карбидов кремния, как правило, значительно выше, чем у других конструкционная керамика. Сочетание высокого модуля упругости и умеренного коэффициента теплового расширения делает карбид кремния восприимчивым к повреждениям от теплового удара. Стойкость к термическому удару значительно ниже, чем у нитрида кремния, но выше, чем у конструкционной циркониевой керамики. Поведение до теплового удара также очень зависит от приложения. Например, очень быстрые изменения температуры могут привести к предпочтению Si3N4 по сравнению с SiC, в то время как при умеренных скоростях изменения температуры высокая теплопроводность SiC может привести к лучшим характеристикам.

Сопротивление разрушению карбида кремния, как правило, ниже, чем у другой конструкционной керамики, что вызывает некоторую озабоченность по поводу использования карбида кремния в некоторых двигателях внутреннего сгорания, таких как роторы турбин, которые могут быть восприимчивы к ударам посторонних предметов. Результаты истирания показывают хорошее сопротивление угловому истиранию частицы или смеси. SiC, связанный реакцией, имеет тенденцию быть наиболее восприимчивым к эрозионному износу из-за свободных зерен, связанных с поверхностью кремния. SiC, связанный реакцией, также оказывается гораздо менее устойчивым к кислотам, щелочам и высокотемпературным продуктам горения, чем однофазный спеченный материал. При контакте с сульфатом натрия или кислым или основным углеродным шлаком от газификации угля SiC имеет тенденцию к легкой коррозии. Также было показано, что спеченный карбид кремния также подвергается коррозии при повышенных температурах в атмосфере, содержащей водород.

Применение карбида кремния

Они больше используются для работы с износом при низких температурах, чем для работы при высоких температурах. Карбид кремния применяется в форсунках для пескоструйной обработки, автомобильных уплотнениях водяных насосов, подшипниках, компонентах насосов и экструзионных головках, в которых используется карбид кремния с высокой твердостью, стойкостью к истиранию и коррозионной стойкостью.