Название и химическая принадлежность
Буквы SiC являются химическими символами кремния и углерода, поэтому SiC — это карбид кремния, ковалентное соединение двух элементов в соотношении один к одному и с молярной массой около 40 граммов на моль. В природе он встречается лишь изредка, так как минерал муассанит, и практически весь коммерческий материал является синтетическим. Карбид кремния чрезвычайно тверд: твердость по шкале Мооса составляет от 9 до 9,5, а твердость по Кнупу около 2500. Он сохраняет прочность при высоких температурах и противостоит окислению, поскольку на его поверхности образуется защитный слой кремнезема. Его теоретическая плотность составляет около 3,21 грамма на кубический сантиметр, и в чистом виде он является электрически полупроводниковым, что и является основой его использования в силовой электронике.
Как производят карбид кремния
Массовый карбид кремния производится в печи Ачесона, где смесь кварцевого песка высокой чистоты и углерода, обычно нефтяного кокса, нагревается путем пропускания тока через графитовый сердечник до тех пор, пока шихта не достигнет температуры реакции выше 2000 градусов Цельсия. Продукт формируется в виде большого слитка, который дробится, измельчается, сортируется и сортируется. Этот процесс является энергоемким, поэтому производство карбида кремния концентрируется там, где энергия дешева. Мелкие порошки для керамики и полупроводников изготавливаются другими способами, включая реакцию кремния с углеродом и парофазные процессы, которые дают материал очень высокой чистоты с контролируемым размером частиц.
Черные и зеленые абразивные сорта
Двумя известными марками абразива являются черный карбид кремния, изготовленный из кварцевого песка и нефтяного кокса и часто содержащий более низкое содержание карбида кремния, который подходит для работы общего назначения, и зеленый карбид кремния, изготовленный из более чистой загрузки, которая дает более высокое содержание карбида кремния и более острое и рыхлое зерно. Черное зерно используется для обработки чугуна, камня, стекла и цветных металлов при пескоструйной очистке, шлифовальных кругах и абразивных покрытиях, тогда как зеленое зерно предпочтительно для цементированного карбида и других твердых, хрупких материалов, а также для работ, где выделение тепла должно быть ограничено. Оба сортируются по размерам ячеек, при этом каждый номер ячеек определяет диапазон размеров частиц, а содержание карбида кремния в марке определяет количество присутствующих неабразивных минералов.
Огнеупорные и керамические формы
Карбид кремния используется в огнеупорах в качестве сырья для кирпича, заготовок и печной мебели из-за его высокой теплопроводности, устойчивости к тепловому удару и химической стабильности. Его высокая теплопроводность и устойчивость к высоким температурам делают его ценным в теплообменниках и компонентах горелок. Склеенная и спеченная керамика из карбида кремния служит в качестве механических уплотнений, компонентов насосов, износостойких пластин, сопел и брони, где решающими свойствами являются твердость и износостойкость. Реакционно-связанный материал изготавливается путем пропитки карбида кремния и углеродной заготовки расплавленным кремнием, в то время как спеченный материал уплотняется добавками, и эти два процесса дают разные профили пористости, прочности и стоимости.
Использование в электротехнике и полупроводниках
Карбид кремния представляет собой полупроводник с широкой запрещенной зоной, и его способность работать при высоком напряжении и высокой температуре с низкими потерями переключения сделала его важным в силовой электронике. Устройства построены на монокристаллических пластинах, выращенных из порошка высокой чистоты путем физического переноса паров, и пластины должны соответствовать очень жестким ограничениям на дефекты микротрубок, дислокации и концентрацию легирующих примесей. Тот же порошок высокой чистоты используется для изготовления полупроводниковой керамики и нагревательных элементов в высокотемпературных печах. Во всех этих случаях требования к чистоте намного превосходят требования к абразивному материалу, поэтому цена за килограмм песка для струйной очистки и пластин электронного качества различается на порядки.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Что означает SiC?
SiC означает карбид кремния, соединение кремния и углерода, а буквы — это просто химические символы двух элементов в соотношении один к одному.
Вопрос: Для чего используется карбид кремния?
Он используется в качестве абразива для шлифовки и струйной обработки, в качестве огнеупорного сырья, в качестве конструкционной керамики для уплотнений и изнашиваемых деталей, а также в качестве широкозонного полупроводника в силовой электронике.
Вопрос: В чем разница между черным и зеленым карбидом кремния?
Черное зерно изготавливается из менее чистой шихты и подходит для общих абразивных работ по чугуну, камню и цветным металлам, тогда как зеленое зерно более чистое, острое и предпочтительно для твердых материалов, таких как твердый сплав.
Вопрос: Насколько тверд карбид кремния?
Он имеет твердость по шкале Мооса от 9 до 9,5 и твердость по Кнупу около 2500, что ставит его в число самых твердых сыпучих промышленных материалов после алмаза и кубического нитрида бора.
Вопрос: Карбид кремния натуральный или синтетический?
Почти весь коммерческий карбид кремния является синтетическим, производится в печи Ачесона из кварцевого песка и углерода, хотя существует редкая природная форма — минерал муассанит.
Вопрос: Почему карбид кремния электронного качества такой дорогой?
Потому что полупроводниковые пластины должны быть выращены из порошка очень высокой чистоты и соответствовать чрезвычайно жестким ограничениям по дефектам кристаллов и легирующим примесям, намного превосходящим требования к абразивным или тугоплавким материалам.