Высокая температура плавления карбида кремния

Карбид кремния — это чрезвычайно твёрдая и прочная неоксидная керамика с превосходными высокотемпературными свойствами, которая широко применяется в различных отраслях промышленности для выполнения сложных задач.

Фрактографический анализ образцов, испытанных в аргоне при температуре 1500–2100 °C, показал, что окислению подвергся только самый внешний слой; только в его оксидной корке обнаруживались деформированные и удлиненные зерна бора, окруженные кристаллическими усами WO₃.

Термодинамика

Карбид кремния (SiC) — это инертный керамический материал, обладающий множеством ценных для промышленности свойств. К ним относятся высокая прочность, износостойкость, термостойкость и теплопроводность, а также устойчивость к воздействию кислот и щелочей и способность выдерживать температуры до 1600 °C.

SiC может выступать либо в качестве электрического изолятора, либо в качестве полупроводника в зависимости от степени легирования и состава. Легирование азотом или фосфором приводит к образованию n-типа проводимости, тогда как легирование бором, галлием или алюминием может привести к образованию p-типа проводимости.

Карбид кремния сегодня широко применяется в различных отраслях промышленности: от производства стали, термической обработки металлов, производства флоат-стекла и изготовления керамики и электронных компонентов до производства композитной брони (например, брони «Чобхэм») и бронежилетов.

SiC плавится в зависимости как от давления, так и от температуры, причем температура плавления определяется обеими этими величинами. При низких давлениях его фазовая диаграмма демонстрирует несоразмерное плавление, происходящее в виде равновесной смеси кубического кристалла 3C и гексагонального кристалла 6H (см. [17]). Однако при более высоких давлениях в ходе исследований наблюдалось его конгруэнтное плавление с образованием жидкости, имеющей однозначную кривую плавления, как показано на рисунке 5. Его медленная кинетика, вероятно, обусловлена значительными различиями между атомными радиусами углерода и кремния (см. [18]).

Давление

Карбид кремния привлек к себе внимание благодаря своим полупроводниковым свойствам, в частности, превосходной устойчивости к высокому напряжению по сравнению с обычным кремнием. Кроме того, карбид кремния может использоваться в качестве абразива, а также в огнеупорных материалах, например, при производстве высокоэффективных тормозных дисков для автомобилей.

SiC чаще всего встречается в виде альфа-карбида кремния (a-SiC), кристаллическая структура которого — гексагональная — схожа с структурой вюрцита. Однако при более низких температурах может образовываться и бета-форма, которая, однако, имеет ограниченное коммерческое применение. SiC известен как прочный и износостойкий материал с алмазоподобными свойствами, устойчивый к воздействию высоких температур и коррозии.

Карбид кремния выпускается в виде порошка или кристаллов для применения в различных областях: в производстве огнеупорных материалов, абразивов и металлургии. В сочетании с графитом он часто используется для производства углеродного волокна, армированного карбидом кремния, которое применяется в высокоэффективных тормозных дисках для автомобилей.

Процесс Lely является основным способом производства карбида кремния. Он заключается в нагревании смеси кварцевого песка и угля (обычно кокса) до очень высоких температур в гранитном тигле с углеродным проводником, выступающим в качестве электрода, при этом электрический ток проходит через кокс, вызывая химические реакции, которые приводят к сублимации при более низких температурах и осаждению на графитовых стержнях при более низких температурах, в результате чего образуются чистые зеленые кристаллы SiC, известные как муассанит.

Диффузия

Карбид кремния (SiC) — это аморфный кристаллический материал с чрезвычайно высокой температурой плавления (2700 °C). Благодаря прочным ковалентным связям между атомами Si и C карбид кремния обладает чрезвычайной твёрдостью и хрупкостью, хотя и не достигает твёрдости алмаза (9,5 по шкале Мооса). В природе он встречается в виде моиссанита, который был обнаружен в метеоритном кратере Каньон-Диабло в Аризоне еще в 1893 году; кроме того, его получают искусственным путем путем восстановления кремнезема углеродом в электрической печи при высоких температурах.

Карбид кремния широко используется благодаря своим исключительным физическим и химическим свойствам. Он обладает превосходными электрическими характеристиками, такими как в 10 раз более высокая напряженная прочность по сравнению со стандартным кремнием, а также превосходит нитрид галлия по эффективности в системах, работающих при напряжении свыше 1000 В; кроме того, он демонстрирует устойчивость к термическим ударам и износостойкость.

В рамках работ по повышению изоляционных свойств карбида кремния его часто покрывают слоем углерода (так называемым «C-cap»), чтобы снизить степень деградации во время процессов отжига при высоких температурах. Однако, к сожалению, это покрытие может также оказывать пагубное влияние на самодиффузию, способствуя образованию пар Френкеля и создавая неподвижные антисайты (иллюстрация этого явления приведена на рисунке 4). На рисунке 4 представлено сравнение образцов без покрытия и с углеродным покрытием, отжигавшихся при 1700 °C в течение одного часа; формы профилей в обоих образцах различаются из-за наличия микроотверстий на образцах с углеродным покрытием, отжигавшихся при 1700 °C в течение одного часа; это подтверждается различиями между их графиками самодиффузии по Аррениусу (указывающими на наличие микроотверстий на образце с углеродным покрытием).

Температура

Карбид кремния (SiC) — это неоксидный керамический материал, обладающий замечательной термической стабильностью и прочностью при повышенных температурах. Состоящий из плотно упакованных атомов углерода и кремния, связанных кристаллической решеткой, SiC имеет очень высокую температуру плавления — свойство, благодаря которому он подходит для промышленного применения в условиях экстремальных температур.

Чистый SiC не является отличным проводником электричества; однако легирование его определёнными добавками значительно повышает его проводимость. Кроме того, термоударная стойкость и сопротивление ползучести SiC превосходят аналогичные показатели других высокотемпературных керамических материалов, таких как оксид алюминия или карбид бора.

В металлургической промышленности карбид кремния марки 90% является неотъемлемым компонентом кислородных печей (BOF). Он служит топливом для увеличения соотношения лом/расплавленный металл и повышения температуры разливки; кроме того, он способствует раскислению стали и удалению примесей из плавильной ванны, а также является эффективным средством регулирования содержания углерода в стальном расплаве.

SiC применяется не только в металлургической промышленности; у него есть и множество других областей применения. Например, он служит эффективным катализатором при производстве поливинилхлорида, а также других органических соединений. Кроме того, SiC может использоваться для производства оксида алюминия и карбидов бора; более того, он является неотъемлемым компонентом композитной брони, такой как броня Чобхэм.