Vysoká teplota tání karbidu křemíku

Karbid křemíku je extrémně tvrdá a pevná neoxidová keramika s vynikajícími vysokoteplotními vlastnostmi, široce využívaná v různých průmyslových odvětvích pro náročné aplikace.

Fraktografické zkoumání vzorků testovaných v argonu při teplotě 1500-2100 stupňů C ukázalo, že oxidovaná je pouze nejsvrchnější vrstva; pouze její oxidová šupina obsahuje deformovaná a protáhlá zrna boru s okolními whiskery WO3.

Termodynamika

Karbid křemíku (SiC) je inertní keramický materiál, který se vyznačuje mnoha žádoucími průmyslovými vlastnostmi. Patří mezi ně vysoká pevnost, odolnost proti opotřebení, odolnost proti tepelným šokům a tepelná vodivost, odolnost proti kyselinám a zásadám a schopnost odolávat teplotám až 1600 stupňů Celsia.

SiC se může chovat buď jako elektrický izolant, nebo jako polovodič v závislosti na úrovni dopování a složení. Dopování dusíkem nebo fosforem vytváří vodivost n-typu, zatímco dopování bórem, heliem nebo hliníkem může vytvářet vodivost p-typu.

Karbid křemíku je dnes široce využíván v různých průmyslových odvětvích, od výroby oceli, tepelného zpracování kovů, výroby plaveného skla, keramiky a elektronických součástek až po výrobu kompozitních pancířů (např. pancíř Chobham) a neprůstřelných vest.

SiC se taví v závislosti na tlaku i teplotě, přičemž jeho teplota tání závisí na obou proměnných. Při nízkých tlacích vykazuje jeho fázový diagram inkongruentní tání, které probíhá jako rovnovážná směs kubického krystalu 3C a hexagonálního krystalu 6H (viz [17]). Při vyšších tlacích však studie pozorovaly jeho kongruentní tání za vzniku kapaliny s jednoznačnou křivkou tání, jak je vidět na obr. 5. Jeho pomalá kinetika je pravděpodobně způsobena velkými rozdíly mezi rozdíly atomových poloměrů uhlíku a křemíku (viz [18].

Tlak

Karbid křemíku se dostal na titulní stránky novin díky svým polovodičovým vlastnostem, zejména díky vyšší napěťové odolnosti ve srovnání s běžným křemíkem. Kromě toho lze karbid křemíku použít také jako brusivo a v žáruvzdorných aplikacích, jako jsou vysoce výkonné brzdové kotouče pro automobily.

SiC se nejčastěji vyskytuje jako karbid křemíku alfa (a-SiC), jehož hexagonální krystalová struktura je podobná wurtzitu. Forma beta však může vznikat i při nižších teplotách, ale má omezené komerční využití. SiC je známý jako houževnatý a odolný materiál s vlastnostmi podobnými diamantu, který je odolný vůči teplu a korozi.

Karbid křemíku se vyrábí jako prášek nebo krystal pro použití v různých žáruvzdorných, brusných a metalurgických aplikacích. V kombinaci s grafitem se často používá k výrobě karbidu křemíku vyztuženého uhlíkovými vlákny, který se používá ve vysoce výkonných brzdových kotoučích pro automobily.

Proces Lely je nejpoužívanějším způsobem výroby karbidu křemíku. Jedná se o zahřívání směsi křemičitého písku a uhlí (obvykle koksu) při velmi vysokých teplotách v žulovém kelímku s uhlíkovým vodičem jako elektrodou, přičemž elektrický proud prochází koksem a vytváří chemické reakce, které umožňují sublimaci při nižších teplotách a usazování na grafitových tyčinkách při nižších teplotách, což vede ke vzniku čistých zelených krystalů SiC známých jako moissanit.

Difúze

Karbid křemíku (SiC) je amorfní krystalický materiál s extrémně vysokou teplotou tání (2700oC). Díky silným kovalentním vazbám mezi atomy Si a C vykazuje karbid křemíku extrémní tvrdost a křehkost, přičemž si nezadá s tvrdostí diamantu (9,5 Mohsovy stupnice). V přírodě se vyskytuje jako moissanit, který byl objeven v meteorickém kráteru Canyon Diablo v Arizoně v roce 1893; případně se vyrábí uměle pomocí redukce oxidu křemičitého a uhlíku v elektrické peci při vysokých teplotách.

Karbid křemíku je široce využíván díky svým výjimečným fyzikálním a chemickým vlastnostem. Vyznačuje se vynikajícími elektrickými vlastnostmi, jako je 10krát vyšší napěťová odolnost než standardní křemík, a v systémech pracujících s napětím nad 1000 V funguje lépe než nitrid galia; navíc vykazuje odolnost proti tepelným šokům i proti opotřebení.

V rámci snahy o zvýšení izolačních schopností karbidu křemíku se často pokrývá vrstvou uhlíku (známou jako C-kapička), aby se zmírnila jeho degradace při žíhání za vysokých teplot. Bohužel však tato vrstva může mít také škodlivé účinky na vlastní difúzi tím, že podporuje tvorbu Frenkelových párů a vytváří nepohyblivé antisity (ilustraci tohoto jevu viz obrázek 4). Obrázek 4 zobrazuje srovnání mezi vzorky bez povlaku a vzorky s povlakem C žíhanými při teplotě 1700oC po dobu jedné hodiny; 30 tvary profilů se mezi vzorky liší v důsledku děr přítomných na vzorcích s povlakem C žíhaných při teplotě 1700oC po dobu jedné hodiny u obou vzorků, což dokazují rozdíly mezi jejich Arrheniovými grafy křivek vlastní difuze (což naznačuje přítomnost děr na vzorku s povlakem C).

Teplota

Karbid křemíku (SiC) je neoxidový keramický materiál s pozoruhodnou tepelnou stabilitou a pevností při zvýšených teplotách. SiC se skládá z těsně uspořádaných atomů uhlíku a křemíku vázaných krystalovou mřížkovou strukturou a má velmi vysoký bod tání, což je vlastnost, která jej předurčuje k průmyslovému použití při extrémních teplotách.

Čistý SiC není vynikajícím elektrickým vodičem, avšak jeho dopování specifickými dopanty výrazně zvyšuje jeho vodivost. Kromě toho odolnost SiC proti tepelným šokům a tečení překonává jiné vysokoteplotní keramické materiály, jako je oxid hlinitý nebo karbid bóru.

V ocelářském průmyslu je karbid křemíku 90% nedílnou součástí základních kyslíkových pecí (BOF). Slouží jako palivo pro zvýšení poměru šrotu k žhavému kovu a zvýšení teploty na kohoutku; dále pomáhá odkysličovat ocel a zároveň odstraňovat nečistoty z jejího tavicího bazénu - a je také účinným prostředkem pro kontrolu obsahu uhlíku v ocelové tavenině.

SiC se používá nejen v ocelářském průmyslu, ale má i mnoho dalších aplikací. Slouží například jako účinný katalyzátor při výrobě polyvinylchloridu a dalších organických sloučenin. Dále lze SiC použít k výrobě oxidu hlinitého a karbidů bóru; navíc je nedílnou součástí kompozitních pancířů, jako je například pancíř Chobham.