Wysoka temperatura topnienia węglika krzemu

Węglik krzemu to niezwykle twarda i wytrzymała ceramika nietlenkowa o doskonałych właściwościach wysokotemperaturowych, szeroko stosowana w wielu gałęziach przemysłu do wymagających zastosowań.

Badanie fraktograficzne próbek testowanych w argonie w temperaturze 1500-2100 degC wykazało, że tylko najbardziej zewnętrzna warstwa była utleniona; tylko jej skala tlenkowa zawierała zdeformowane i wydłużone ziarna boru z otaczającymi wiskerami WO3.

Termodynamika

Węglik krzemu (SiC) to obojętny materiał ceramiczny, który posiada wiele pożądanych właściwości przemysłowych. Obejmują one wysoką wytrzymałość, odporność na zużycie, odporność na szok termiczny i przewodność cieplną, a także odporność na kwasy i zasady oraz odporność na temperatury do 1600 stopni Celsjusza.

SiC może działać jako izolator elektryczny lub półprzewodnik w zależności od poziomu domieszkowania i składu. Domieszkowanie azotem lub fosforem tworzy przewodnictwo typu n, podczas gdy domieszkowanie borem, galem lub aluminium może generować przewodnictwo typu p.

Węglik krzemu jest obecnie szeroko stosowany w różnych gałęziach przemysłu, począwszy od produkcji stali, obróbki cieplnej metali, produkcji szkła float i wytwarzania ceramiki i komponentów elektronicznych, a skończywszy na produkcji pancerzy kompozytowych (takich jak pancerz Chobham) i kamizelek kuloodpornych.

SiC topi się w funkcji zarówno ciśnienia, jak i temperatury, a jego temperatura topnienia zależy od obu zmiennych. Przy niskich ciśnieniach jego diagram fazowy wykazuje niezgodne topnienie, które występuje jako równowagowa mieszanina sześciennego kryształu 3C i sześciokątnego kryształu 6H (patrz [17]). Jednak przy wyższych ciśnieniach zaobserwowano, że topi się on kongruentnie, tworząc ciecz o jednoznacznej krzywej topnienia, jak pokazano na rysunku 5. Jego powolna kinetyka jest prawdopodobnie spowodowana dużymi różnicami między różnicami promienia atomowego węgla a różnicami promienia atomowego krzemu (patrz [18].

Ciśnienie

Węglik krzemu trafił na pierwsze strony gazet ze względu na swoje właściwości półprzewodnikowe, w szczególności lepszą odporność na napięcie w porównaniu ze zwykłym krzemem. Co więcej, węglik krzemu może być również wykorzystywany jako materiał ścierny i w zastosowaniach ogniotrwałych, takich jak wysokowydajne tarcze hamulcowe do samochodów.

SiC jest najczęściej spotykany jako węglik krzemu alfa (a-SiC), o heksagonalnej strukturze krystalicznej podobnej do wurcytu. Forma beta może jednak również powstawać w niższych temperaturach, ale ma ograniczone zastosowania komercyjne. SiC jest znany jako twardy i wytrzymały materiał o właściwościach diamentopodobnych, który jest odporny na ciepło i korozję.

Węglik krzemu jest produkowany w postaci proszku lub kryształów do różnych zastosowań ogniotrwałych, ściernych i metalurgicznych. W połączeniu z grafitem jest często używany do produkcji węglika krzemu wzmocnionego włóknem węglowym, stosowanego w wysokowydajnych tarczach hamulcowych do samochodów.

Proces Lely to podstawowy sposób produkcji węglika krzemu. Polega on na podgrzewaniu mieszaniny piasku kwarcowego i węgla (zwykle koksu) w bardzo wysokich temperaturach w granitowym tyglu z przewodnikiem węglowym działającym jako elektroda, podczas gdy prąd elektryczny przepływa przez koks, tworząc reakcje chemiczne, które umożliwiają sublimację w niższych temperaturach i osadzanie się na prętach grafitowych w niższych temperaturach, co skutkuje czystymi zielonymi kryształami SiC znanymi jako moissanit.

Dyfuzja

Węglik krzemu (SiC) to amorficzny materiał krystaliczny o niezwykle wysokiej temperaturze topnienia (2700oC). Ze względu na silne wiązania kowalencyjne między atomami Si i C, węglik krzemu wykazuje ekstremalną twardość i kruchość, ale nie dorównuje twardości diamentu (9,5 w skali Mohsa). Występuje naturalnie jako moissanit, który został odkryty w kraterze meteorytu Canyon Diablo w Arizonie w 1893 roku; alternatywnie wytwarzany sztucznie przy użyciu redukcji krzemionki i węgla w piecu elektrycznym w wysokich temperaturach.

Węglik krzemu jest powszechnie stosowany ze względu na swoje wyjątkowe właściwości fizyczne i chemiczne. Charakteryzuje się doskonałymi właściwościami elektrycznymi, takimi jak 10-krotnie wyższa odporność na napięcie niż standardowy krzem i lepsza wydajność w systemach pracujących przy napięciu powyżej 1000 V niż azotek galu; dodatkowo wykazuje odporność na szok termiczny, a także odporność na zużycie.

W ramach wysiłków mających na celu zwiększenie zdolności izolacyjnych węglika krzemu, jest on często pokrywany warstwą węgla (znaną jako C-cap) w celu złagodzenia degradacji podczas procesów wyżarzania w wysokiej temperaturze. Niestety, powłoka ta może mieć również szkodliwy wpływ na samodyfuzję, zachęcając do tworzenia par Frenkla i tworząc nieruchome antysity (zob. rysunek 4 ilustrujący to zjawisko). Rysunek 4 przedstawia porównanie między próbkami bez powłoki i z powłoką C wyżarzanymi w temperaturze 1700oC przez jedną godzinę; 30 kształty profili różnią się między próbkami ze względu na otwory obecne na próbkach z powłoką C wyżarzanych w temperaturze 1700oC przez jedną godzinę w obu próbkach, o czym świadczą różnice między ich wykresami Arrheniusa krzywych samodyfuzji (wskazujące na otwory obecne na próbce z powłoką C).

Temperatura

Węglik krzemu (SiC) jest nietlenkowym materiałem ceramicznym o niezwykłej stabilności termicznej i wytrzymałości w podwyższonych temperaturach. Składający się z ciasno upakowanych atomów węgla i krzemu powiązanych strukturami sieci krystalicznej, SiC ma bardzo wysoką temperaturę topnienia - atrybut, który sprawia, że nadaje się do zastosowań przemysłowych, w których występują ekstremalne temperatury.

Czysty SiC nie jest doskonałym przewodnikiem elektrycznym; jednak domieszkowanie go określonymi domieszkami znacznie zwiększa jego przewodnictwo. Co więcej, odporność na szok termiczny i odporność na pełzanie SiC przewyższa inne wysokotemperaturowe materiały ceramiczne, takie jak tlenek glinu czy węglik boru.

W przemyśle stalowym węglik krzemu 90% jest integralnym składnikiem podstawowych pieców tlenowych (BOF). Służy jako paliwo zwiększające stosunek złomu do gorącego metalu i podnoszące temperaturę kranu; ponadto pomaga odtleniać stal, jednocześnie usuwając zanieczyszczenia z basenu topnienia - a także jest skutecznym środkiem do kontrolowania poziomów zawartości węgla w stopionej stali.

SiC jest używany nie tylko w przemyśle stalowym; ma również wiele innych zastosowań. Służy na przykład jako wydajny katalizator w produkcji polichlorku winylu, a także innych związków organicznych. Co więcej, SiC może być wykorzystywany do produkcji tlenku glinu i węglików boru; ponadto jest integralnym składnikiem pancerzy kompozytowych, takich jak pancerz Chobham.