Aukšta silicio karbido lydymosi temperatūra

Silicio karbidas – tai itin kieta ir tvirta neoksidinė keramika, pasižyminti puikiomis savybėmis aukštoje temperatūroje, plačiai naudojama įvairiose pramonės šakose sudėtingoms užduotims atlikti.

Atlikus argono aplinkoje 1500–2100 °C temperatūroje ištirtų mėginių fraktografinį tyrimą, paaiškėjo, kad oksidavosi tik išorinis sluoksnis; tik jo oksido plėvelėje buvo deformuotų ir pailgėjusių boro grūdelių, kuriuos supo WO₃ kristalai.

Termodinamika

Silicio karbidas (SiC) yra inertiška keraminė medžiaga, pasižyminti daugybe pramonėje vertinamų savybių. Tarp jų – didelis stiprumas, atsparumas dilimui, atsparumas terminiams smūgiams ir šilumos laidumas, taip pat atsparumas rūgštims ir šarmams bei gebėjimas išlaikyti temperatūrą iki 1600 °C.

SiC gali veikti kaip elektros izoliatorius arba puslaidininkis, priklausomai nuo jo legiravimo lygio ir sudėties. Legiravimas azotu arba fosforu sukuria n-tipo laidumą, o legiravimas boru, galiju arba aliuminiu gali sukurti p-tipo laidumą.

Šiandien silicio karbidas plačiai naudojamas įvairiose pramonės šakose: nuo plieno gamybos, metalų terminio apdorojimo, plokščiojo stiklo gamybos bei keramikos ir elektronikos komponentų gamybos iki kompozicinių šarvų (pavyzdžiui, „Chobham“ šarvų) ir neperšaunamų liemenių gamybos.

SiC lydosi priklausomai nuo slėgio ir temperatūros, o jo lydymosi temperatūrą lemia abu šie kintamieji. Esant žemam slėgiui, jo fazių diagrama rodo nesuderinamą lydymąsi, kuris vyksta kaip 3C kubinio kristalo ir 6H šešiakampio kristalo pusiausvyros mišinys (žr. [17]). Tačiau esant aukštesniam slėgiui tyrimai parodė, kad jis tirpsta suderintai, sudarydamas skystį su aiškia tirpimo kreive, kaip matyti 5 paveiksle. Jo lėta kinetika greičiausiai susijusi su dideliais skirtumais tarp anglies atomų spindulių ir silicio atomų spindulių (žr. [18]).

Slėgis

Silicio karbidas sulaukė didelio dėmesio dėl savo puslaidininkinių savybių, ypač dėl puikių atsparumo įtampai charakteristikų, palyginti su įprastu siliciu. Be to, silicio karbidas taip pat gali būti naudojamas kaip abrazyvas ir ugniai atspariose medžiagose, pavyzdžiui, aukštos kokybės automobilių stabdžių diskuose.

SiC dažniausiai pasitaiko kaip alfa silicio karbidas (a-SiC), kurio šešiakampė kristalinė struktūra panaši į wurcito. Tačiau žemesnėje temperatūroje gali susidaryti ir beta forma, tačiau jos komercinis pritaikymas yra ribotas. SiC žinomas kaip tvirta ir patvari medžiaga, turinti deimantui būdingų savybių, atspari karščiui ir korozijai.

Silicio karbidas gaminamas miltelių arba kristalų pavidalu ir naudojamas įvairiose ugniai atsparių medžiagų, abrazyvų ir metalurgijos srityse. Kartu su grafitu jis dažnai naudojamas gaminant anglies pluoštu sustiprintą silicio karbidą, kuris naudojamas aukštos kokybės automobilių stabdžių diskuose.

„Lely“ procesas yra pagrindinis silicio karbido gamybos būdas. Šio proceso metu kvarco smėlio ir anglies (paprastai kokso) mišinys kaitinamas labai aukštoje temperatūroje granito tige, kurioje kaip elektrodas naudojamas anglies laidininkas, o elektros srovė teka per koksą, sukeldama chemines reakcijas, kurios leidžia medžiagai sublimuotis žemesnėje temperatūroje ir nusėsti ant grafito strypų esant žemesnei temperatūrai, taip susidaro gryni žali SiC kristalai, žinomi kaip moissanitas.

Difuzija

Silicio karbidas (SiC) yra amorfinė kristalinė medžiaga, pasižyminti itin aukšta lydymosi temperatūra (2700 °C). Dėl stiprių kovalentinių ryšių tarp Si ir C atomų silicio karbidas pasižymi ypatingu kietumu ir trapumu, tačiau neprilygsta deimanto kietumui (9,5 pagal Moso skalę). Gamtoje jis randamas kaip moissanitas, kuris buvo atrastas 1893 m. Kanjono Diablo meteorito krateryje Arizonoje; taip pat jis gali būti gaminamas dirbtiniu būdu, aukštoje temperatūroje elektrinėje krosnyje redukuojant silicio dioksidą ir anglį.

Silicio karbidas plačiai naudojamas dėl savo išskirtinių fizinių ir cheminių savybių. Jis pasižymi puikiomis elektrinėmis savybėmis, pavyzdžiui, 10 kartų didesniu atsparumu įtampai nei įprastas silicis ir geresniais eksploataciniais parametrais sistemose, veikiančiose esant įtampai virš 1000 V, nei galio nitridas; be to, jis pasižymi atsparumu terminiams smūgiams bei nusidėvėjimui.

Siekdami pagerinti silicio karbido izoliacines savybes, jį dažnai padengia anglies sluoksniu (vadinamuoju „C-cap“), siekiant sumažinti medžiagos susidėvėjimą aukštos temperatūros atkaitinimo procesų metu. Deja, ši danga taip pat gali turėti neigiamą poveikį savidifuzijai, skatindama Frenkelio porų susidarymą ir sukurdama nejudrius antisitus (šio reiškinio iliustraciją žr. 4 paveiksle). 4 paveiksle pateiktas palyginimas tarp nedengtų ir C-danga padengtų mėginių, atkaitintų 1700 °C temperatūroje vieną valandą; 30 profilio formos skiriasi tarp mėginių dėl mažų skylučių, esančių ant C-danga padengtų mėginių, atkaitintų 1700 °C temperatūroje vieną valandą abiejuose mėginiuose; tai patvirtina skirtumai tarp jų Arrhenius savidifuzijos kreivių (rodančių, kad ant C-danga padengto mėginio yra mažų skylučių).

Temperatūra

Silicio karbidas (SiC) – tai neoksidinė keraminė medžiaga, pasižyminti išskirtiniu terminiu stabilumu ir stiprumu aukštoje temperatūroje. SiC, sudarytas iš tankiai susikaupusių anglies ir silicio atomų, susietų kristalinio tinklo struktūromis, pasižymi labai aukšta lydymosi temperatūra – dėl šios savybės jis tinka pramoniniam naudojimui sąlygomis, kuriose vyrauja ekstremalios temperatūros.

Grynas SiC nėra puikus elektros laidininkas; tačiau, pridedant tam tikrų legiravimo priedų, jo laidumas žymiai padidėja. Be to, SiC atsparumas terminiams smūgiams ir atsparumas deformacijai viršija kitų aukštos temperatūros keraminių medžiagų, pavyzdžiui, aliuminio oksido ar boro karbido, rodiklius.

Plieno pramonėje silicio karbidas 90% yra neatskiriama bazinių deguonies krosnių (BOF) sudedamoji dalis. Jis naudojamas kaip kuras, siekiant padidinti laužo ir karšto metalo santykį bei pakelti išliejimo temperatūrą; be to, jis padeda deoksiduoti plieną, pašalinant priemaišas iš lydymo vonios, taip pat yra veiksminga priemonė, leidžianti kontroliuoti anglies kiekį plieno lydinyje.

SiC naudojamas ne tik plieno pramonėje; jis turi ir daug kitų pritaikymų. Pavyzdžiui, jis veikia kaip veiksmingas katalizatorius gaminant polivinilchloridą ir kitus organinius junginius. Be to, SiC gali būti naudojamas aliuminio oksido ir boro karbidų gamybai; taip pat jis yra neatskiriama kompozitinių šarvų, pavyzdžiui, „Chobham“, sudedamoji dalis.