Високата температура на топене на силициев карбид

Силициевият карбид е изключително твърда и здрава неоксидна керамика с отлични високотемпературни свойства, широко използвана в различни индустрии за взискателни приложения.

Фрактографското изследване на образци, тествани в аргон при 1500-2100 градуса по Целзий, показа, че само най-външният слой е окислен; само неговата оксидна скала съдържа деформирани и удължени борови зърна с обкръжаващи ги мустачки от WO3.

Термодинамика

Силициевият карбид (SiC) е инертен керамичен материал, който се отличава с много желани промишлени свойства. Сред тях са висока якост, износоустойчивост, устойчивост на термични удари и топлопроводимост, както и устойчивост на киселини и основи и способност да издържа на температури до 1600 градуса по Целзий.

SiC може да действа като електрически изолатор или полупроводник в зависимост от нивото на легиране и състава си. Допирането с азот или фосфор създава n-тип проводимост, докато допирането с бор, галий или алуминий може да генерира p-тип проводимост.

Днес силициевият карбид намира широко приложение в различни отрасли - от производството на стомана, термичната обработка на метали, производството на флоатно стъкло и производството на керамика и електронни компоненти до производството на композитни брони (като бронята Chobham) и бронежилетки.

SiC се топи като функция на налягането и температурата, като температурата на топене се определя и от двете променливи. При ниски налягания фазовата му диаграма демонстрира несъгласувано топене, което протича като равновесна смес от 3C кубичен кристал и 6H хексагонален кристал (вж. [17]). При по-високи налягания обаче изследванията са показали, че той се топи конгруентно и образува течност с недвусмислена крива на топене, както е показано на фигура 5. Бавната му кинетика вероятно се дължи на големите разлики между разликите в атомните радиуси на въглерода спрямо разликите в атомните радиуси на силиция (вж. [18].

Налягане

Силициевият карбид се появи на първите страници на вестниците заради полупроводниковите си свойства, особено заради по-добрата си устойчивост на напрежение в сравнение с обикновения силиций. Освен това силициевият карбид може да се използва и като абразив и в огнеупорни приложения, като например висококачествени спирачни дискове за автомобили.

SiC се среща най-често като алфа силициев карбид (a-SiC), чиято хексагонална кристална структура е подобна на вурцитната. Бета-формата обаче може да се образува и при по-ниски температури, но има ограничени търговски приложения. SiC е известен като здрав и издръжлив материал с диамантоподобни качества, който е устойчив на топлина и корозия.

Силициевият карбид се произвежда под формата на прах или кристал за използване в различни огнеупорни, абразивни и металургични приложения. В комбинация с графит той често се използва за производство на подсилен с въглеродни влакна силициев карбид, използван във високоефективни спирачни дискове за автомобили.

Процесът на Lely е основният начин за производство на силициев карбид. Той включва нагряване на смес от силициев пясък и въглища (обикновено кокс) при много високи температури в гранитен тигел с въглероден проводник, изпълняващ ролята на електрод, докато електрическият ток преминава през кокса, създавайки химически реакции, които позволяват сублимация при по-ниски температури и отлагане върху графитни пръчки при по-ниски температури, в резултат на което се получават чисти зелени кристали SiC, известни като моисанит.

Дифузия

Силициевият карбид (SiC) е аморфен кристален материал с изключително висока температура на топене (2700оС). Благодарение на силните ковалентни връзки между атомите Si и C силициевият карбид се отличава с изключителна твърдост и крехкост, като не може да се сравнява с твърдостта на диаманта (9,5 по скалата на Моос). Среща се в природата под формата на моисанит, който е открит в метеоритния кратер Каньон Диабло в Аризона през 1893 г.; произвежда се и изкуствено чрез редукция на силициев диоксид и въглерод в електрическа пещ при високи температури.

Силициевият карбид се използва широко поради изключителните си физични и химични свойства. Той се отличава с превъзходни електрически характеристики, като например 10 пъти по-висока устойчивост на напрежение в сравнение със стандартния силиций и по-добро представяне в системи, работещи с напрежение над 1000 V, отколкото галиевия нитрид; освен това той демонстрира устойчивост на термичен шок, както и устойчивост на износване.

Като част от усилията за подобряване на изолационната способност на силициевия карбид, той често се покрива със слой от въглерод (известен като C-капачка), за да се намали деградацията му по време на процеси на отгряване при висока температура. За съжаление обаче това покритие може да има и вредно въздействие върху самодифузията, като насърчава образуването на двойки на Френкел и създава неподвижни антизити (виж фигура 4 за илюстрация на това явление). На фигура 4 е показано сравнение между образци без покритие и образци с покритие С, отгряти при 1700oC за един час; 30 формата на профила се различава между образците поради наличието на дупчици в образците с покритие С, отгряти при 1700oC за един час и в двата образеца, което се доказва от разликите между техните графики на Архениус на кривите на самодифузия (показващи наличието на дупчици в образеца с покритие С).

Температура

Силициевият карбид (SiC) е неоксиден керамичен материал със забележителна термична стабилност и якост при повишени температури. Съставен от плътно подредени въглеродни и силициеви атоми, свързани с кристална решетка, SiC има много висока температура на топене - свойство, което го прави подходящ за промишлени приложения при екстремни температури.

Чистият SiC не е отличен електрически проводник; но допирането му със специфични допанти значително увеличава проводимостта му. Освен това устойчивостта на термичен шок и на пълзене на SiC превъзхожда други високотемпературни керамични материали като алуминиев оксид или боров карбид.

В стоманодобивната промишленост силициевият карбид 90% е неразделна част от основните кислородни пещи (BOF). Той служи като гориво за увеличаване на съотношението между скрап и горещ метал и за повишаване на температурата на крана; освен това спомага за дезоксидирането на стоманата, като същевременно изчиства примесите от басейна за топене, както и е ефективно средство за контролиране на нивата на съдържание на въглерод в стоманената стопилка.

SiC се използва не само в стоманодобивната промишленост, но има и много други приложения. Например, той служи като ефективен катализатор при производството на поливинилхлорид, както и на други органични съединения. Освен това SiC може да се използва за производство на алуминиев оксид и борови карбиди; освен това той е неразделна част от композитната броня, като например бронята Chobham.