Piikarbidijauhe

Piikarbidijauhe on erittäin kestävä hioma- ja tulenkestävä materiaali, jota käytetään korkean lämpötilan elektroniikkalaitteiden tuotannossa.

Tuotannossa piihiekkaa kuumennetaan valokaariuunissa hiililähteiden, kuten öljykoksin, kanssa, jolloin muodostuu sekä mustia että vihreitä piikarbideja; mustassa piikarbidissa on rautapitoisia epäpuhtauksia, jotka saavat aikaan tummempia sävyjä sen viimeistelyssä.

Ominaisuudet

Piikarbidi (SiC) on piistä ja hiilestä koostuva teollinen mineraali, jota on käytetty laajalti teollisuudessa hioma-aineena hiekkapaperista ja hiomalaikoista teollisuusuunien vuorauksiin ja luotiliivien keraamisiin levyihin sekä puolijohdealustoihin valodiodien (LED) valmistukseen. SiC:tä esiintyy myös luonnossa moissaniittimineraalina. SiC:tä esiintyy myös luonnossa moissanitmineraalina. SiC:tä esiintyy myös luonnossa moissanittina. SiC:llä on monia käyttökohteita, kuten tulenkestävät vuoraukset teollisuusuuneissa sekä keraamiset levyt, joita käytetään luodinkestävien liivien kanssa valoa säteilevissä diodeissa - sitä esiintyy luonnostaan jopa moissanite-mineraalina.

Alumiini kestää erinomaisesti kulutusta ja kestää jopa 1400 °C:n lämpötiloja ilman, että sen lujuus heikkenee merkittävästi. Lisäksi sen korroosionkestävyys ulottuu useimpiin tavallisiin epäorgaanisiin happoihin, suoloihin ja emäksiin; se voi kuitenkin syöpyä tietyissä olosuhteissa, kuten joutuessaan kosketuksiin happamien fluoridien tai fluorivetyhappojen kanssa.

SiC on sähköisesti eristävä materiaali, jolla on korkea vetolujuus ja alhainen ominaispaino, joka on sekä kemiallisesti vakaa että sähköisesti eristävä ja jolla on hyvä kemiallinen vakaus ja ei-magneettiset ominaisuudet. Se sulaa 2080 celsiusasteessa. SiC:n tiiviisti pakattu rakenne mahdollistaa tetraedrisen koordinaation pii- ja hiiliatomien välillä, mikä takaa korkean lujuus-painosuhteen ja lämmönjohtavuusominaisuudet.

Piikarbidijauheista voidaan valmistaa erilaisia puhtausasteita, kiderakenteita ja hiukkaskokoja. Niitä voidaan valmistaa erilaisilla prosesseilla - karbotermisellä pelkistämisellä Achesonin prosessin tai polymeerikonversion avulla sekä korkeassa lämpötilassa tapahtuvilla kaasufaasikemiallisilla reaktioilla - ja niiden valmistukseen voidaan käyttää erilaisia menetelmiä. Valmistuksen jälkeen näitä jauheita voidaan käyttää keraamisten tuotteiden, kuten teollisuusuunien tulenkestävien muotojen tai elektroniikkalaitteiden, kuten mikroprosessoreiden, sähköeristyselementtien valmistukseen.

Sovellukset

Piikarbidijauhetta voidaan käyttää lukuisissa sovelluksissa. Piikarbidi on erittäin sitkeä materiaali, jolla on erinomainen lämmönjohtavuus ja kemiallinen kestävyys, ja se kestää äärimmäisiä lämpötiloja sulasta lasista aina 1 400 celsiusasteeseen (2 552 celsiusastetta) asti. Piikarbidia käytetään usein osana tulenkestäviä materiaaleja, kuten keramiikkaa, lasia ja uunien seinämiä, ja jopa hiomalaikkoja ja hiekkapaperia valmistetaan sen lisäaineella. Lisäksi piikarbidi on olennainen materiaali korkean lämpötilan puolijohteissa ja elektroniikkasovelluksissa.

Hiiltä löytyy myös komposiittimateriaaleista, kuten hiilikuituvahvisteisesta piikarbidista (CFRC), jota käytetään yleisesti autojen jarruissa ja luodinkestävissä liiveissä, koska sen vetolujuus on erinomainen ja koska se kestää suurten nopeuksien iskuja.

Sintrattu piidioksidi valmistetaan usein korkeapaine-sintraamalla jopa 11 000 celsiusasteen (1 815 celsiusasteen) lämpötiloissa. Lopputuotteella on erittäin tiiviisti pakkautunut rakenne, joka koostuu neljästä tetraedrisesti toisiinsa sitoutuneesta pii- ja hiiliatomista, ei-magneettisia ominaisuuksia ja se kestää useimpia kemikaaleja, kuten alifaattisia hiilivetyjä, emäksiä, orgaanisia happoja ja sulatettuja suoloja; se ei kuitenkaan kestä voimakkaita hapettavia aineita, kuten fluorivetyhappoa ja kaliumfluoridia.

Valmistelu

Piikarbidi on erittäin kova tulenkestävä materiaali, jota käytetään muun muassa hiomalaikoissa, hiomakivissä, leikkuutyökaluissa, hiekkapuhalluksessa, vesisuihkuleikkureissa ja keramiikassa. Lisäksi se on olennainen osa korkean lämpötilan uuneja, joita käytetään lasien ja keramiikan polttamiseen korkeissa lämpötiloissa. Saatavana eri partikkelikokoja erityiskäyttöön sekä mustana tai valkoisena - yleisimmin ensin mainittua (wurtziittikiderakenne) ja jälkimmäistä (sinkkiblende).

A-SiC-jauheella on kuusikulmainen kiderakenne ja Mohsin kovuusluokitus 7. Se kestää äärimmäisiä olosuhteita korkean sulamispisteensä ja vahvan lämmönjohtavuutensa ansiosta, eikä sillä ole myrkyllisyysongelmia tai liukenemattomia ominaisuuksia veteen tai alkoholiin. Lisäksi sen kestävyys orgaanisia happoja, emäksiä, suoloja ja happamia fluorideja vastaan tekee siitä sopivan moniin käyttötarkoituksiin teollisuudessa ja teknisissä sovelluksissa.

Kehittyneissä sovelluksissa tarvitaan suurempien b-SiC-kiteiden valmistamista Lely-menetelmällä, jotta niistä voidaan sitten leikata synteettiseksi moissanitiksi kutsuttuja jalokiviä. SiC voidaan myös liittää yhteen hartseja tai polymeerejä käyttäen kuiduiksi, joita käytetään metallien ja muiden materiaalien vahvistamiseen.

Keksintö koskee prosessia b-SiC-jauheiden valmistamiseksi sekoittamalla Si- ja C-hiiliä sisältävä Si-lähde ylimäärän hiilen kanssa, kuumentamalla koostumus ja suodattamalla, pesemällä ja kuivaamalla se. Kun nämä b-SiC-jauheet on saatu valmiiksi, ne voidaan helposti jauhaa myöhemmissä prosesseissa, kuten suodatuspesu-kuivauksessa.

Varastointi

Piikarbidi on yksi maailman kovimmista aineista, ja se kilpailee kovuudeltaan timantin ja boorikarbidin kanssa. Piikarbidia käytetään sovelluksissa, jotka vaativat lämpö- ja mekaanisia ominaisuuksia, kuten kulutusta kestävissä materiaaleissa, tulenkestävissä aineissa, keraamisissa tuotteissa, puolijohteissa ja puolijohteiden hioma-aineissa sekä kulutusta kestävissä sovelluksissa, kulutusta kestävissä pinnoitteissa, lämpöshokkien kestävyydessä, alhaisissa lämpölaajenemisnopeuksissa ja korkeassa sähkönjohtavuudessa, ja sen poikkeuksellinen lujuus, kestävyys ja sähkönjohtavuusominaisuudet tekevät piikarbidista monikäyttöisen materiaalin.

Ilmailu- ja avaruusteollisuus luottaa suuresti SiC-jauhekomponentteihin, jotka kestävät äärimmäistä kuumuutta ja painetta, mukaan lukien autoissa käytettävät jarrujärjestelmät, jotka parantavat suorituskykyä ja vähentävät roottorien ja rumpujen kulumista. Puolijohdeteollisuus puolestaan käyttää sitä kiekkojen käsittelylaitteissa, joilla lämpöä hallitaan tehokkaammin, sekä luodinkestävien liivien keraamisissa levyissä, jotka suojaavat sotilaita suurten nopeuksien iskuilta.

Mustaa piikarbidia valmistetaan sähkövastus-uunissa korkeissa lämpötiloissa käyttäen ensisijaisina raaka-aineina kvartsihiekkaa ja petrolikoksia. Sen keskimääräinen kovuus on sulatetun alumiinioksidin ja synteettisen timantin väliltä, ja sitä voidaan käyttää hioma-aineena käsiteltäessä vähän vetolujia materiaaleja, kuten valurautaa, muita kuin rautametalleja, kiviainesta, nahkaa ja kumia. Lisäksi mustaa piikarbidia käytetään usein tulenkestävien materiaalien ja metallurgisten lisäaineiden valmistuksessa.