Висока температура плавлення карбіду кремнію

Карбід кремнію - це надзвичайно тверда і міцна неоксидна кераміка з чудовими високотемпературними властивостями, яка широко використовується в різних галузях промисловості для складних завдань.

Фрактографічне дослідження зразків, випробуваних в аргоні при 1500-2100 градС, показало, що окисленим був лише зовнішній шар, лише його оксидна луска містила деформовані та видовжені зерна бору з оточуючими їх вусиками WO3.

Термодинаміка

Карбід кремнію (SiC) - це інертний керамічний матеріал, який має багато бажаних промислових властивостей. До них відносяться висока міцність, зносостійкість, стійкість до термічних ударів і теплопровідність, а також стійкість до кислот і лугів і здатність витримувати температуру до 1600 градусів Цельсія.

Залежно від рівня легування та складу SiC може діяти як електричний ізолятор або напівпровідник. Легування азотом або фосфором створює провідність n-типу, тоді як легування бором, галієм або алюмінієм може генерувати провідність p-типу.

Сьогодні карбід кремнію широко використовується в різних галузях промисловості - від виробництва сталі, термічної обробки металів, виробництва флоат-скла, виготовлення кераміки та електронних компонентів до композитної броні (наприклад, броня Чобхема) і виробництва бронежилетів.

SiC плавиться як функція як тиску, так і температури, причому температура плавлення визначається обома змінними. За низьких тисків його фазова діаграма демонструє інконгруентне плавлення, яке відбувається як рівноважна суміш кубічного кристалу 3C і гексагонального кристалу 6H (див. [17]). Однак за вищих тисків дослідження показали, що він конгруентно плавиться, утворюючи рідину з однозначною кривою плавлення, як показано на рисунку 5. Його повільна кінетика, ймовірно, пов'язана з великою різницею між різницею атомних радіусів вуглецю та кремнію (див. [18]).

Тиск

Карбід кремнію став відомим завдяки своїм напівпровідниковим властивостям, зокрема, його вищій стійкості до напруги порівняно зі звичайним кремнієм. Крім того, карбід кремнію можна використовувати як абразив і у вогнетривких виробах, таких як високопродуктивні гальмівні диски для автомобілів.

SiC найчастіше зустрічається у вигляді альфа-карбіду кремнію (a-SiC), який має гексагональну кристалічну структуру, подібну до вюрциту. Однак бета-форма також може утворюватися за нижчих температур, але має обмежене комерційне застосування. SiC відомий як міцний і зносостійкий матеріал з алмазоподібними властивостями, стійкий до нагрівання і корозії.

Карбід кремнію виробляється у вигляді порошку або кристалів для використання в різних вогнетривких, абразивних і металургійних виробах. У поєднанні з графітом його часто використовують для виробництва армованого вуглецевим волокном карбіду кремнію, що використовується у високопродуктивних гальмівних дисках для автомобілів.

Процес Lely - це основний спосіб виробництва карбіду кремнію. Він передбачає нагрівання суміші кварцового піску і вугілля (зазвичай коксу) при дуже високих температурах у гранітному тиглі з вугільним провідником, що діє як електрод, тоді як електричний струм проходить через кокс, створюючи хімічні реакції, які дозволяють сублімувати при нижчих температурах і осаджувати на графітових стрижнях при нижчих температурах, в результаті чого утворюються чисті зелені кристали SiC, відомі як муассаніт.

Дифузія

Карбід кремнію (SiC) - аморфний кристалічний матеріал з надзвичайно високою температурою плавлення (2700oC). Завдяки міцним ковалентним зв'язкам між атомами Si та C, карбід кремнію має надзвичайну твердість і крихкість, хоча і не зрівняється з твердістю алмазу (9,5 одиниць за шкалою Мооса). У природі зустрічається у вигляді муассаніту, який був виявлений у метеоритному кратері Каньйон Діабло в Арізоні ще в 1893 році; також його виготовляють штучно, використовуючи відновлений кремнезем-вуглець в електричній печі при високих температурах.

Карбід кремнію широко використовується завдяки своїм винятковим фізичним і хімічним властивостям. Він може похвалитися чудовими електричними характеристиками, наприклад, в 10 разів вищою стійкістю до напруги, ніж стандартний кремній, і краще працює в системах, що працюють при напрузі понад 1000 В, ніж нітрид галію; крім того, він демонструє стійкість до термічних ударів, а також зносостійкість.

Щоб покращити ізоляційні властивості карбіду кремнію, його часто покривають шаром вуглецю (відомим як С-покриття), щоб зменшити деградацію під час високотемпературного відпалу. Однак, на жаль, це покриття може також негативно впливати на самодифузію, сприяючи утворенню пар Френкеля і створенню нерухомих антисайтів (див. рисунок 4 для ілюстрації цього явища). На рисунку 4 показано порівняння зразків без покриття і зразків з С-покриттям, відпалених при 1700oC протягом однієї години; 30 форм профілів відрізняються між зразками через наявність отворів на зразках з С-покриттям, відпалених при 1700oC протягом однієї години в обох зразках, про що свідчать відмінності між їхніми графіками кривих самодифузії по Арреніусу (що вказують на наявність отворів на зразку з С-покриттям).

Температура

Карбід кремнію (SiC) - це неоксидний керамічний матеріал з надзвичайною термічною стабільністю та міцністю при підвищених температурах. Складається з щільно упакованих атомів вуглецю і кремнію, пов'язаних кристалічною решіткою, SiC має дуже високу температуру плавлення - властивість, яка робить його придатним для промислового використання в умовах екстремальних температур.

Чистий SiC не є чудовим електропровідником, проте легування його спеціальними допантами значно підвищує його провідність. Крім того, стійкість до термічних ударів і повзучості SiC перевищує інші високотемпературні керамічні матеріали, такі як глинозем або карбід бору.

У сталеливарній промисловості карбід кремнію 90% є невід'ємним компонентом кисневих печей (ККП). Він слугує паливом для збільшення співвідношення брухту до чавуну та підвищення температури плавки; крім того, він допомагає розкислювати сталь, очищаючи її від домішок, а також є ефективним засобом контролю рівня вмісту вуглецю в розплаві сталі.

SiC використовується не лише в металургійній промисловості, він має багато інших застосувань. Наприклад, він слугує ефективним каталізатором у виробництві полівінілхлориду та інших органічних сполук. Крім того, SiC може використовуватися для виробництва карбідів глинозему та бору, а також є невід'ємним компонентом композитної броні, наприклад, броні Чобхема.