Vysoká teplota tavenia karbidu kremíka

Karbid kremíka je extrémne tvrdá a pevná neoxidová keramika s vynikajúcimi vysokoteplotnými vlastnosťami, ktorá sa široko využíva vo viacerých priemyselných odvetviach na náročné aplikácie.

Fraktografické skúmanie vzoriek testovaných v argóne pri teplote 1500 - 2100 stupňov C ukázalo, že oxidovaná je len najvrchnejšia vrstva; len jej oxidová šupina obsahuje deformované a pretiahnuté zrná bóru s okolitými metličkami WO3.

Termodynamika

Karbid kremíka (SiC) je inertný keramický materiál, ktorý sa vyznačuje mnohými žiaducimi priemyselnými vlastnosťami. Patrí medzi ne vysoká pevnosť, odolnosť proti opotrebovaniu, odolnosť proti tepelným šokom a tepelná vodivosť, ako aj odolnosť voči kyselinám a zásadám a schopnosť odolávať teplotám až do 1 600 °C.

SiC môže pôsobiť buď ako elektrický izolant, alebo ako polovodič v závislosti od úrovne jeho dopovania a zloženia. Dopovanie dusíkom alebo fosforom vytvára vodivosť typu n, zatiaľ čo dopovanie bórom, gáliom alebo hliníkom môže vytvárať vodivosť typu p.

Karbid kremíka sa dnes široko využíva v rôznych priemyselných odvetviach, od výroby ocele, tepelného spracovania kovov, výroby plaveného skla a výroby keramiky a elektronických súčiastok až po výrobu kompozitných pancierov (napríklad pancierov Chobham) a nepriestrelných viest.

SiC sa taví v závislosti od tlaku aj teploty, pričom jeho teplota topenia závisí od oboch premenných. Pri nízkych tlakoch jeho fázový diagram ukazuje inkongruentné topenie, ktoré prebieha ako rovnovážna zmes 3C kubického kryštálu a 6H hexagonálneho kryštálu (pozri [17]). Pri vyšších tlakoch však štúdie pozorovali jeho kongruentné topenie za vzniku kvapaliny s jednoznačnou krivkou topenia, ako je vidieť na obrázku 5. Jeho pomalá kinetika je pravdepodobne spôsobená veľkými rozdielmi medzi rozdielmi atómových polomerov uhlíka a kremíka (pozri [18].

Tlak

Karbid kremíka sa dostal na titulné stránky novín vďaka svojim polovodičovým vlastnostiam, najmä vďaka vyššej odolnosti voči napätiu v porovnaní s bežným kremíkom. Okrem toho sa karbid kremíka môže používať aj ako abrazívum a v žiaruvzdorných aplikáciách, ako sú vysoko výkonné brzdové kotúče pre automobily.

SiC sa najčastejšie vyskytuje ako alfa karbid kremíka (a-SiC) s hexagonálnou kryštálovou štruktúrou podobnou wurtzitu. Forma beta sa však môže tvoriť aj pri nižších teplotách, ale má obmedzené komerčné využitie. SiC je známy ako húževnatý a odolný materiál s vlastnosťami podobnými diamantu, ktorý je odolný voči teplu a korózii.

Karbid kremíka sa vyrába ako prášok alebo kryštál na použitie v rôznych žiaruvzdorných, abrazívnych a metalurgických aplikáciách. V kombinácii s grafitom sa často používa na výrobu karbidu kremíka vystuženého uhlíkovými vláknami, ktorý sa používa vo vysoko výkonných brzdových kotúčoch pre automobily.

Proces Lely je najlepším spôsobom výroby karbidu kremíka. Ide o zahrievanie zmesi kremičitého piesku a uhlia (zvyčajne koksu) pri veľmi vysokých teplotách v žulovom tégliku s uhlíkovým vodičom, ktorý slúži ako elektróda, pričom elektrický prúd prechádza cez koks a vytvára chemické reakcie, ktoré umožňujú sublimáciu pri nižších teplotách a usadzovanie na grafitových tyčinkách pri nižších teplotách, čo vedie k vzniku čistých zelených kryštálov SiC známych ako moissanit.

Difúzia

Karbid kremíka (SiC) je amorfný kryštalický materiál s extrémne vysokou teplotou topenia (2700oC). Vďaka silným kovalentným väzbám medzi atómami Si a C vykazuje karbid kremíka extrémnu tvrdosť a krehkosť, pričom si nezadá s tvrdosťou diamantu (9,5 Mohsovej stupnice). V prírode sa vyskytuje ako moissanit, ktorý bol objavený v meteorickom kráteri Canyon Diablo v Arizone v roku 1893; prípadne sa vyrába umelo pomocou redukcie oxidu kremičitého a uhlíka v elektrickej peci pri vysokých teplotách.

Karbid kremíka je široko využívaný vďaka svojim výnimočným fyzikálnym a chemickým vlastnostiam. Môže sa pochváliť vynikajúcimi elektrickými vlastnosťami, ako je 10-násobne vyššia odolnosť voči napätiu ako štandardný kremík a lepšie fungovanie v systémoch pracujúcich s napätím nad 1000 V ako nitrid gália; okrem toho vykazuje odolnosť voči tepelným šokom, ako aj odolnosť voči opotrebovaniu.

V rámci úsilia o zvýšenie izolačných schopností karbidu kremíka sa často pokrýva vrstvou uhlíka (známou ako C-kapička), aby sa zmiernila jeho degradácia počas procesov žíhania pri vysokých teplotách. Nanešťastie však táto vrstva môže mať aj škodlivé účinky na samodifúziu tým, že podporuje tvorbu Frenkelových párov a vytvára nepohyblivé antisity (ilustrácia tohto javu je na obrázku 4). Na obrázku 4 je zobrazené porovnanie medzi vzorkami bez povlaku a vzorkami s povlakom C žíhanými pri teplote 1700 oC počas jednej hodiny; 30 tvary profilov sa medzi vzorkami líšia v dôsledku dier prítomných na vzorkách s povlakom C žíhaných pri teplote 1700 oC počas jednej hodiny v oboch vzorkách, čo dokazujú rozdiely medzi ich Arrheniovými grafmi samodifúznych kriviek (naznačujúc dierky prítomné na vzorke s povlakom C).

Teplota

Karbid kremíka (SiC) je neoxidový keramický materiál s pozoruhodnou tepelnou stabilitou a pevnosťou pri zvýšených teplotách. SiC sa skladá z tesne usporiadaných atómov uhlíka a kremíka viazaných štruktúrou kryštálovej mriežky a má veľmi vysokú teplotu topenia - vlastnosť, ktorá ho robí vhodným na priemyselné použitie pri extrémnych teplotách.

Čistý SiC nie je vynikajúcim elektrickým vodičom, avšak jeho dopovanie špecifickými dopantmi výrazne zvyšuje jeho vodivosť. Okrem toho odolnosť SiC voči tepelným šokom a tečeniu prevyšuje iné vysokoteplotné keramické materiály, ako je oxid hlinitý alebo karbid bóru.

V oceliarskom priemysle je karbid kremíka 90% neoddeliteľnou súčasťou základných kyslíkových pecí (BOF). Slúži ako palivo na zvýšenie pomeru šrotu k horúcemu kovu a zvýšenie teploty na kohútiku; okrem toho pomáha dezoxidovať oceľ a zároveň odstraňovať nečistoty z jej taviaceho bazéna - a je tiež účinným prostriedkom na kontrolu úrovne obsahu uhlíka v oceľovej tavenine.

SiC sa nepoužíva len v oceliarskom priemysle, ale má aj mnoho ďalších aplikácií. Slúži napríklad ako účinný katalyzátor pri výrobe polyvinylchloridu, ako aj iných organických zlúčenín. Okrem toho sa SiC môže použiť na výrobu oxidu hlinitého a karbidov bóru; okrem toho je neoddeliteľnou súčasťou kompozitných pancierov, ako je napríklad pancier Chobham.