Карборунд это карбиды которые представляют собой неорганические или органические химические соединения, которые включают углерод в анионной форме.
Различными элементами, образующими карбиды, являются; кальций, бор, кремний и алюминий.
Карборунд или карбид кремния (SiC), представляет собой кремний-углеродный полупроводник.
Что такое карборунд
Муассанит, исключительно редкий минерал, встречается в природе. С 1893 года синтетический порошок SiC массово производится в качестве абразива.
Спекание может связывать зерна карбида кремния вместе с образованием очень твердой керамики, которая обычно используется в приложениях, требующих высокой долговечности.
Таких как автомобильные тормоза, автомобильные сцепления и керамические пластины для пуленепробиваемых жилетов.
Около 1907 года карбид кремния впервые был использован в электронных приложениях, таких как светоизлучающие диоды (LED) и детекторы в ранних радиоприемниках.
SiC — это полупроводниковый материал, который используется в устройствах полупроводниковой электроники, работающих при высоких температурах, высоком напряжении или и том, и другом.
Метод Lely может быть использован для выращивания крупных монокристаллов карбида кремния, которые затем могут быть разрезаны на синтетические драгоценные камни муассанита.
Структура карборунда
Существует около 250 различных кристаллических типов карбида кремния. Стеклообразный аморфный карбид кремния образуется в результате пиролиза докерамических полимеров в инертной атмосфере.
Политипы представляют собой широкое семейство родственных кристаллических структур, которые определяют полиморфизм SiC.
Они представляют собой двумерные варианты одного и того же химического соединения, которые различаются в третьем измерении.
В результате их можно рассматривать как слои, уложенные в определенном порядке.
Наиболее популярным полиморфом является альфа-карбид кремния (SiC), который производится при температурах выше 1700 °C и имеет гексагональную кристаллическую структуру.
При температурах ниже 1700°C образуется бета-модификация (SiC) с кристаллической структурой цинковой обманки (аналогичной алмазной).
Бета-форма до недавнего времени имела мало коммерческих применений, но из-за большей площади поверхности, чем альфа-форма, сейчас она набирает популярность в качестве носителя для гетерогенных катализаторов.
Формула карборунда
Формула карборунда (химическая формула карбида кремния) — SiC. Его молярная масса составляет 40,10 г / моль, а молекулярная формула — CSi.
Это простое соединение с тройной связью, соединяющей атом углерода с атомом кремния, оставляя все атомы с положительным и отрицательным зарядом.
Однако связь между ними не ионная, а преимущественно ковалентная.
Твердый карбид кремния имеет различные кристаллические формы, наиболее распространенной из которых является гексагональная кристаллическая структура.
Свойства карборунда
1. SiC бесцветен в чистом виде. Примеси железа придают промышленному продукту коричнево-черный оттенок.
2. Радужный блеск кристаллов обусловлен тонкопленочным внедрением пассивирующего слоя из диоксида кремния, который образуется на поверхности.
3. Карбид кремния полезен для подшипников и деталей печей из-за его высокой температуры сублимации (приблизительно 2700 ° C). При любой известной температуре карбид кремния не плавится.
4. Химически он также очень инертен.
5. Его высокая теплопроводность, высокая стойкость к пробою в электрическом поле и высокая максимальная плотность тока делают его более перспективным, чем кремний, для мощных устройств.
В настоящее время существует большой интерес к его использованию в качестве полупроводникового материала в электронике.
6. SiC также имеет очень низкий коэффициент теплового расширения и отсутствие фазовых переходов, которые вызывают разрывы теплового расширения.
Карбид кремния как полупроводниковый материал
Карбид кремния — это полупроводник, который может быть легирован азотом или фосфором для придания ему n-типа и бериллием, бором, алюминием или галлием для придания ему p-типа.
Для достижения металлической проводимости было использовано сильное легирование бором, алюминием или азотом.
При той же температуре 1,5 К сверхпроводимость наблюдалась в 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B и 6H-SiC:B.
Однако существует значительная разница в активности магнитного поля между легированием алюминием и бором: SiC: Al, как и Si: B, является соединением II типа. SiC:B, с другой стороны, является соединением типа I.
Было обнаружено, что Si-сайты более критичны для сверхпроводимости в SiC, чем углеродные сайты. В SiC бор заменяет углерод, в то время как Al заменяет сайты Si.
В результате Al и B «видят» разные миры, что может объяснить, почему SiC обладает разными свойствами.
Карборунд в природе
Муассанит присутствует лишь в следовых количествах в некоторых формах метеоритов, а также в залежах корунда и кимберлита.
Почти весь карбид кремния, продаваемый в мире, является синтетическим, как и ювелирные изделия из муассанита.
Доктор Фердинанд Анри Муассан обнаружил природный муассанит в виде небольшой части метеорита Каньон Диабло в Аризоне в 1893 году, и вещество было названо в его честь в 1905 году.
Открытие Муассаном природного SiC первоначально было поставлено под сомнение из-за возможности того, что его образец был испорчен пильными дисками из карбида кремния, которые в то время уже были на рынке.
Карбид кремния чрезвычайно популярен в космосе, несмотря на его редкость на Земле. Это распространенный тип звездной пыли, встречающийся вблизи богатых углеродом звезд, и примеры этого были обнаружены в первозданных условиях в примитивных (неизмененных) метеоритах.
Бета-полиморф карбида кремния почти исключительно присутствует в космосе и в метеоритах.
Изотопные соотношения углерода и кремния в зернах SiC, обнаруженных в метеорите Мерчисон, углеродистом хондритовом метеорите, показали аномальные изотопные соотношения, что позволяет предположить, что эти зерна возникли за пределами Солнечной системы.
Производство карборунда
Муассанит — редкий минерал, и большая часть карбида кремния является синтетической. Карбид кремния используется в качестве абразива, полупроводника и имитатора алмаза ювелирного качества.
Смешивание кварцевого песка и углерода в графитовой электропечи сопротивления Acheson при высокой температуре от 1600 °C (2910 ° F) до 2500 ° C (4530 ° F) — самый простой способ получения карбида кремния.
При нагревании в избытке углерода из органического материала образуется мелкодисперсный SiO2 частицы в растительном материале (например, рисовая шелуха) могут быть преобразованы в SiC.
При нагревании с графитом при температуре 1500 ° C (2730 ° F) пары кремнезема, побочный продукт производства металлического кремния и ферросилициевых сплавов, могут быть преобразованы в SiC.
Чистота вещества, получаемого в печи Ачесона, варьируется в зависимости от того, как далеко она находится от источника тепла с графитовым резистором.
Самые чистые кристаллы бесцветные, бледно-желтые и зеленые, и они расположены ближе всего к резистору.
На большем расстоянии от резистора цвет меняется на синий и черный, а более темные кристаллы менее чистые. На электропроводность SiC влияют такие примеси, как азот и алюминий.
Применение карборунда
Абразивные и режущие инструменты
Карбид кремния, распространенный абразив в современном гранильном производстве благодаря своей прочности и низкой стоимости, является популярным абразивом в искусстве.
Благодаря своей твердости он используется в процессах абразивной обработки, таких как шлифовка, хонингование, водоструйная резка и пескоструйная обработка.
Наждачная бумага и лента для захвата скейтборда изготавливаются из частиц карбида кремния, ламинированных на бумагу.
В 1982 году было обнаружено, что композит из нитевидных нитей оксида алюминия и карбида кремния чрезвычайно прочен.
Потребовалось всего три года, чтобы превратить этот созданный в лаборатории композит в коммерческий продукт.
Первые коммерчески доступные режущие инструменты, изготовленные из этого композита, усиленного нитями из оксида алюминия и карбида кремния, появились на рынке в 1985 году.
Изготовление конструкционного материала
Карбид кремния исследовался во многих программах исследований высокотемпературных газовых турбин в Европе, Японии и Соединенных Штатах в 1980-х и 1990-х годах.
Детали были разработаны для использования вместо турбинных лопаток из никелевого суперсплава или сопловых лопаток.
Однако ни одно из этих начинаний не привело к созданию коммерчески жизнеспособного продукта из-за его низкой ударопрочности и вязкости разрушения.
Карбид кремния, как и другая твердая керамика (такая как оксид алюминия и карбид бора), используется в композитной броне (такой как Chobham armour) и в керамических пластинах для пуленепробиваемых жилетов. Pinnacle Armour использовала диски из карбида кремния в своей броне Dragon Skin Armour.
Явление аномального развития зернистости, или AGG, может помочь повысить вязкость разрушения брони из SiC.
Подобно армированию нитями, рост аномально длинных зерен карбида кремния может способствовать приданию эффекта упрочнения за счет образования мостиков в виде трещин.
Было показано, что нитрид кремния обладает аналогичными эффектами усиления AGG (Si3N4).
В высокотемпературных печах, таких как те, которые используются для обжига керамики, плавления стекла или литья стекла, карбид кремния используется в качестве материала для опоры и полок.
Традиционные полки для обжига глинозема значительно тяжелее и менее прочны, чем полки для обжига SiC.
В декабре 2015 года сообщалось, что введение наночастиц карбида кремния в расплавленный магний может создать новый прочный и пластичный сплав, пригодный для использования в аэронавтике, аэрокосмической промышленности, автомобилестроении и микроэлектронике.
Изготовлении автомобильных деталей
Высокоэффективные «керамические» тормозные диски изготовлены из пропитанного кремнием углерод-углеродного композита, который выдерживает экстремальные температуры.
Кремний в углерод-углеродном композите вступает в реакцию с графитом с образованием усиленного углеродным волокном карбида кремния (C/SiC).
Некоторые дорожные спортивные автомобили, суперкары и другие автомобили класса люкс, такие как Porsche Carrera GT, Bugatti Veyron, Chevrolet Corvette ZR1, McLaren P1, Bentley, Ferrari, Lamborghini и другие специфические высокопроизводительные автомобили Audi, используют эти тормозные диски.
Спеченный карбид кремния также используется в дизельных сажевых фильтрах. Трение, выбросы и гармоники снижаются при использовании его в качестве присадки к маслу.
Электронные элементы
Зависящее от напряжения сопротивление SiC было обнаружено на ранней стадии, и колонны гранул SiC были подключены между высоковольтными линиями электропередачи и землей.
Колонка SiC будет проводить ток, когда удар молнии в линию достаточно повысит линейное напряжение, позволяя току удара безвредно поступать на землю, а не на линию электропередачи.
Колонки SiC показали значительную проводимость при стандартном рабочем напряжении в линии электропередачи, что обусловило необходимость их последовательного размещения с искровым промежутком.
Когда молния увеличивает напряжение на проводнике линии электропередачи, искровой промежуток ионизируется и становится проводящим, по существу соединяя колонку SiC с проводником питания и землей.
Искровые промежутки в молниеотводах ненадежны, они не зажигают дугу при необходимости или не выключаются впоследствии, последнее из-за повреждения материала или загрязнения пылью или солью в последнем случае.
Использование столбиков SiC в молниеотводах изначально предназначалось для уменьшения потребности в искровом промежутке.
Разрядники SiC с зазором продавались под брендами GE и Westinghouse, в частности, для обеспечения молниезащиты.
Варисторы без зазора, в которых используются колонны с гранулами оксида цинка, по существу заменили разрядник SiC с зазором.
Светодиоды
В 1907 году карбид кремния был использован для открытия явления электролюминесценции, и первые коммерческие светодиоды были изготовлены из SiC.
В 1970-х годах Советский Союз производил желтые светодиоды 3C-SiC, а в 1980-х годах в мире производились синие светодиоды 6H-SiC.
Когда другой материал, нитрид галлия, стал излучать в 10-100 раз ярче, разработка светодиодов была быстро остановлена.
Это несоответствие эффективности объясняется неблагоприятной косвенной запрещенной зоной SiC, в то время как прямая запрещенная зона GaN благоприятствует излучению света.
С другой стороны, SiC остается важным компонентом светодиодов, поскольку он является обычной подложкой для выращивания устройств на основе GaN, а также служит рассеивателем тепла в мощных светодиодах.
При производстве графена
Карбид кремния может быть использован для получения графена из-за его химических свойств, которые способствуют эпитаксиальному образованию графена на поверхности наноструктур SiC.
Когда дело доходит до производства графена, кремний в основном используется в качестве подложки, на которой выращивается графен.
Однако существует множество методов выращивания графена на карбиде кремния, которые могут быть использованы.
Чип SiC нагревается в вакууме с графитом в процессе выращивания методом контролируемой сублимации (CCS).
Затем вакуум постепенно снимают, чтобы регулировать рост графена. Слои графена, полученные этим методом, имеют высочайшее качество
Однако были задокументированы другие методы получения того же результата.
Другим методом получения графена является термическое разложение SiC в вакууме при высокой температуре.
Однако при этом процессе образуются слои графена с более мелкими зернами внутри слоев. В результате были предприняты попытки увеличить консистенцию и выход графена.
Графитизация SiC с кремниевым концом в атмосфере аргона Ex-situ является одним из таких методов.
Было показано, что этот метод позволяет получать графеновые слои с большими размерами доменов, чем те, которые получены другими методами.
Этот новый метод получения графена более высокого качества может быть очень полезен в различных технических приложениях.
Когда дело доходит до понимания того, как и когда использовать эти методы производства графена, большинство из них в основном производят или выращивают графен на SiC в благоприятных для роста условиях.
Из-за тепловых свойств SiC его чаще всего используют при более высоких температурах (например, 1300 ° C).
Однако были выполнены и изучены такие процедуры, которые теоретически могли бы привести к методам производства графена, использующим более низкие температуры.
Было замечено, что этот новый метод выращивания графена позволяет получать графен при температуре около 750 градусов Цельсия.
Этот подход сочетает в себе различные методы, такие как химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и сегрегация поверхности.
Что касается подложки, то метод будет включать покрытие подложки из SiC тонкими пленками переходных металлов.
После быстрой термической обработки атомы углерода на границе раздела поверхностей пленки переходного металла становятся более распространенными, образуя графен.
Было обнаружено, что этот процесс привел к образованию слоев графена, которые были более однородными по поверхности подложки.
Драгоценные камни из карборунда
По названию минерала карбид кремния называют «синтетическим муассанитом» или просто «муассанитом» как драгоценный камень, используемый в ювелирных изделиях.
Муассанит во многом похож на алмаз: он прозрачный и твердый (9-9,5 по шкале Мооса против 10 для алмаза), и у него показатель преломления 2,65–2,69. (по сравнению с 2,42 для алмаза).
Муассанит немного тверже кубического циркония. Муассанит, в отличие от алмаза, может обладать высоким двулучепреломлением.
В результате драгоценные камни из муассанита ограняются вдоль оптической оси кристалла для уменьшения эффекта двойного лучепреломления.
Он легче алмаза и гораздо более термостойкий. В результате камень приобретает более высокий блеск, более острые грани и более долговечен.
Поскольку муассанит не подвержен воздействию температур до 1800 ° C (3270 ° F), сыпучие камни муассанита, такие как бриллианты, можно вставлять непосредственно в восковые кольцевые формы для литья по выплавляемым моделям из воска.
Муассанит приобрел популярность в качестве заменителя алмаза, и вполне возможно, что его ошибочно примут за алмаз, потому что его теплопроводность наиболее близка к алмазной из всех заменителей.
В то время как несколько приборов для термической проверки алмазов не могут определить разницу между муассанитом и алмазом, драгоценный камень отличается своим двулучепреломлением и слабой зеленой или желтой флуоресценцией в ультрафиолетовом свете.
Муассанит также имеет изогнутые, нитевидные включения, которых нет у алмазов.
Интересный факт о карборунде?
1. Карбид кремния получает свою твердость и прочность за счет тетраэдрических структур кремния и углерода, удерживаемых вместе тесными ковалентными связями в его кристаллической решетке.
2. С другой стороны, волокна карбида кремния были связаны с фиброзом легких, раком легких и, возможно, мезотелиомой. Волокнистый карбид кремния может вызывать рак у людей.
3. Другое название синтетического муассанита — карборундовый камень.