Silīcija karbīda augsta kušanas temperatūra

Silīcija karbīds ir ārkārtīgi cieta un izturīga neoksidēta keramika ar lieliskām īpašībām augstās temperatūrās, ko plaši izmanto dažādās nozarēs sarežģītiem lietojumiem.

Argonā 1500-2100 grādos C temperatūrā testēto paraugu fraktogrāfiskā pārbaude parādīja, ka oksidēts ir tikai ārējais slānis; tikai tā oksīda skala saturēja deformētus un iegarenus bora graudus ar apkārtējiem WO3 vīkšķiem.

Termodinamika

Silīcija karbīds (SiC) ir inerts keramikas materiāls, kam piemīt daudzas vēlamās rūpnieciskās īpašības. Tās ir augsta izturība, nodilumizturība, izturība pret termiskiem triecieniem un siltumvadītspēja, kā arī izturība pret skābēm un sārmiem un līdz pat 1600 grādiem C temperatūrā.

SiC var darboties vai nu kā elektriskais izolators, vai kā pusvadītājs atkarībā no tā dopinga līmeņa un sastāva. Dopēšana ar slāpekli vai fosforu rada n tipa vadītspēju, savukārt dopēšana ar boriem, galliju vai alumīniju var radīt p tipa vadītspēju.

Silīcija karbīdu mūsdienās plaši izmanto dažādās rūpniecības nozarēs, sākot no tērauda ražošanas, metālu termiskās apstrādes, pludinātā stikla ražošanas un keramikas un elektronikas komponentu izgatavošanas līdz pat kompozītmateriālu bruņu (piemēram, Chobham bruņu) un ložu necaurlaidīgo vestu ražošanai.

SiC kušanas temperatūra ir atkarīga gan no spiediena, gan temperatūras, un tā kušanas temperatūru nosaka abi mainīgie lielumi. Pie zema spiediena tā fāžu diagramma liecina par nesaskaņotu kušanu, kas notiek kā 3C kubiskā kristāla un 6H heksagonālā kristāla līdzsvara maisījums (sk. [17]). Tomēr pie augstākiem spiedieniem pētījumos ir novērota kongruenta kušana, veidojot šķidrumu ar viennozīmīgu kušanas līkni, kā redzams 5. attēlā. Tā lēnā kinētika, iespējams, ir saistīta ar lielajām atšķirībām starp oglekļa atomu rādiusu atšķirībām un silīcija atomu rādiusu atšķirībām (sk. [18].

Spiediens

Silīcija karbīds ir nonācis virsrakstos, pateicoties tā pusvadītāju īpašībām, jo īpaši tā augstākajai sprieguma pretestībai salīdzinājumā ar parasto silīciju. Turklāt silīcija karbīdu var izmantot arī kā abrazīvu un ugunsizturīgos materiālos, piemēram, augstas veiktspējas automobiļu bremžu diskos.

SiC visbiežāk sastopams kā alfa silīcija karbīds (a-SiC), kura heksagonālā kristāliskā struktūra ir līdzīga virtcītam. Tomēr beta forma var veidoties arī zemākās temperatūrās, taču tās komerciālais pielietojums ir ierobežots. SiC ir pazīstams kā izturīgs un izturīgs materiāls ar dimantam līdzīgām īpašībām, kas ir noturīgs pret karstumu un koroziju.

Silīcija karbīdu ražo pulvera vai kristālu veidā, lai to izmantotu dažādos ugunsizturīgos, abrazīvos un metalurģiskos procesos. Kombinācijā ar grafītu to bieži izmanto, lai ražotu ar oglekļa šķiedru pastiprinātu silīcija karbīdu, ko izmanto augstas veiktspējas automašīnu bremžu diskos.

Lely process ir labākais veids, kā ražot silīcija karbīdu. Tas ietver silīcija smilšu un akmeņogļu (parasti koksa) maisījuma karsēšanu ļoti augstā temperatūrā granīta tīģelī, kur oglekļa vadīts darbojas kā elektrods, bet elektriskā strāva plūst caur koksu, izraisot ķīmiskas reakcijas, kas zemākā temperatūrā ļauj sublimēties un vēsākā temperatūrā nogulsnēties uz grafīta stieņiem, kā rezultātā rodas tīri zaļi SiC kristāli, pazīstami kā moizanīts.

Difūzija

Silīcija karbīds (SiC) ir amorfs kristālisks materiāls ar ļoti augstu kušanas temperatūru (2700oC). Pateicoties spēcīgajām kovalentajām saitēm starp Si un C atomiem, silīcija karbīdam piemīt ārkārtīga cietība un trauslums, taču tā cietība neatbilst dimanta cietībai (9,5 Moha skala). Dabā sastopams kā moisanīts, kas 1893. gadā tika atrasts Kanjon Diablo meteora krāterī Arizonā; alternatīvi ražots mākslīgi, izmantojot silīcija dioksīda un oglekļa reducēšanu elektriskajā krāsnī augstā temperatūrā.

Silīcija karbīds tiek plaši izmantots tā izcilo fizikālo un ķīmisko īpašību dēļ. Tas var lepoties ar izcilām elektriskajām īpašībām, piemēram, 10 reižu augstāku sprieguma pretestību nekā standarta silīcijs, un labāk darbojas sistēmās, kas darbojas ar vairāk nekā 1000 V spriegumu, nekā gallija nitrīds; turklāt tas ir izturīgs pret termiskiem triecieniem, kā arī nodilumizturīgs.

Lai uzlabotu silīcija karbīda izolācijas spējas, to bieži pārklāj ar oglekļa slāni (tā dēvēto C vāciņu), lai mazinātu degradāciju augstas temperatūras atlaidināšanas procesos. Diemžēl šis pārklājums var arī negatīvi ietekmēt pašdifūziju, veicinot Frenkela pāru veidošanos un radot nekustīgus antisītus (sk. 4. attēlā šīs parādības ilustrāciju). attēlā redzams salīdzinājums starp paraugiem bez pārklājuma un paraugiem ar C pārklājumu, kas atkvēlināti 1700o C temperatūrā vienu stundu; 30 profilu formas atšķiras starp paraugiem, jo abos paraugos, kas atkvēlināti 1700o C temperatūrā vienu stundu, ir izveidojušās tapas, ko apliecina atšķirības starp to pašdifūzijas līkņu Arrēnija diagrammām (kas norāda uz tapām, kas izveidojušās paraugā ar C pārklājumu).

Temperatūra

Silīcija karbīds (SiC) ir bezoksīda keramikas materiāls ar ievērojamu termisko stabilitāti un izturību paaugstinātā temperatūrā. SiC sastāv no cieši sakārtotiem oglekļa un silīcija atomiem, ko saista kristālrežģa struktūras, un tam ir ļoti augsta kušanas temperatūra - šī īpašība padara to piemērotu izmantošanai rūpniecībā, kur ir ekstrēmas temperatūras.

Tīrs SiC nav izcils elektrovadītājs, tomēr, to papildinot ar specifiskiem leģējošiem piemaisījumiem, tā elektrovadītspēja ievērojami palielinās. Turklāt SiC termiskā trieciena izturība un izturība pret slīdēšanu pārsniedz citu augstas temperatūras keramikas materiālu, piemēram, alumīnija oksīda vai bora karbīda, izturību.

Tērauda rūpniecībā 90% silīcija karbīds ir neatņemama pamata skābekļa krāšņu (BOF) sastāvdaļa. Tas kalpo kā degviela, lai palielinātu metāllūžņu attiecību pret karsto metālu un paaugstinātu krāna temperatūru; turklāt tas palīdz deoksidēt tēraudu, attīrot tā kausēšanas baseinu no piemaisījumiem, kā arī ir efektīvs līdzeklis oglekļa satura līmeņa kontrolei tērauda kausējumā.

SiC izmanto ne tikai tērauda rūpniecībā; tam ir arī daudz citu pielietojumu. Piemēram, tas kalpo kā efektīvs katalizators polivinilhlorīda, kā arī citu organisko savienojumu ražošanā. Turklāt SiC var izmantot alumīnija oksīda un bora karbīdu ražošanā; turklāt tas ir neatņemama sastāvdaļa kompozītmateriālu bruņojumā, piemēram, Čobhemas bruņojumā.