2. Виробництво, поліморфізм, властивості та застосування SiC
2.1. Загальна характеристика SiC.
Карбід Силіцію - це хімічна сполука неорганічного походження, що складається з двох елементів - Силіцію і Карбону.Його хімічне позначення - SiC. Технічна назва карбіду Силіцію - карборунд, мінералогічна назва - муассаніт.
Карбід Силіцію - це безбарвний кристал, що має алмазний блиск. Оскільки в природній формі зустрічається вкрай рідко, тому для виробничих цілей виробляється штучно. Технічний карбід Силіцію (карборунд), виробляється з різної сировини і за різними технологіями, в результаті чого його колірна гама може змінюватись.
Залежно від кількості та хімічного складу домішок, карборунд за кольором може бути: чорний, білий, сірий, жовтий і зелений.
Завдяки винятковим властивостям він є незамінним матеріалом в багатьох галузях промисловості.
Основні властивості карбіду кремнію такі: мала густина, високий рівень теплопровідності, дуже низький коефіцієнт тертя, тугоплавкість і хімічна тривкість до високих температур, напівпровідникові властивості;низький коефіцієнт термічного розширення, висока хімічна, корозійна та радіаційна тривкість, висока твердість (за твердістю поступається лише алмазу і боразону).
Широке застосування карбіду кремнію в багатьох галузях промисловості і різних сферах виробництва, обумовлене його винятковими фізико-хімічними характеристиками і властивостями. Його застосовують у:
у металургійної промисловості як вогнетривкий матеріал;
у виробництві абразивного, різального і шліфувального інструменту для каталізації хімічних процесів;
у виробництві бронежилетів і композитної броні;
у виробництві ювелірних виробів;
в ядерній енергетиці;
в елементах нагрівання;
в автомобілебудуванні;
в пірометрії;
в астрономії;
в електроніці.
2.2. Способи виробництва.
Природний муассаніт(Рис.1) знайдений тільки в мізерно малих кількостях в деяких типах метеоритів і корунду. Природній муассаніт був вперше виявлений в 1893 році як невеликий компонент метеориту в АрізонідокторомФердинандом Анрі Муассаном , на честь якого був названий матеріал в 1905 році.
Рис.1. Монокристал муассаніту (≈ 1 мм)
Рідкісний на Землі карбід Силіцію поширений у всесвіті у вигляді зоряного пилу навколо багатих вуглецем зірок.
Через малу поширеність в природі використовують синтезований карбід Силіцію.
Уперше широкомасштабне виробництво SiC почав Едвард Гудріч Ачесон в 1890 році. Ачесон намагався виготовити штучні алмази нагріванням з суміші глини (силікату алюмінію) і порошкоподібного коксу (вуглецю) в залізній мисці. Блакитні кристали, які утворилися при цьому він назвав карборундумом , вважаючи, що це нова сполука вуглецю і алюмінію, схожа на корунд. Ачесон запатентував спосіб одержання порошку Карбіду Силіцію 28 лютого 1893. Цілком можливо, що він назвав матеріал "карборунд" за аналогією з корундом, який є ще однією дуже твердою речовиною (9 за шкалою Мооса ).
Найпростішим способом виробництва є спікання кремнезему з вуглецем в графітової електропечі Ачесона при високій температурі 1600-2500 0C:
Рис.2. Синтетичні кристали SiC ~ 3 мм в діаметрі
Чистота карбіду Силіцію, що утворюється в печі Ачесона, залежить від відстані до графітового резистора в Тене. Кристали високої чистоти безбарвного, блідо-жовтого та зеленого кольору знаходяться найближче до резистору. На більшій відстані від резистора колір змінюється на синій або чорний з-за домішок. Забруднювачами найчастіше є азот і алюміній, вони впливають на електропровідність отриманого матеріалу .
Чистий карбід кремнію можна одержати за допомогою так званого процесу Лелі (Рис.3.), в якому порошкоподібний SiC переганяється в атмосфері аргону при 2500 0C і осідає на холодній підкладці у вигляді лускатих монокристалів розмірами до 2×2 см2.
Рис.3. Кристали карбіду кремнію, отримані завдяки процесу Лелі
Чистий карбід Силіцію безбарвний. Його відтінки від коричневого до чорного кольору пов'язані з домішками заліза. Райдужний блиск кристалів обумовлюється тим, що при контакті з повітрям на їх поверхні утворюється плівка з діоксиду кремнію, що відбувається до пасивування зовнішнього шару.
Цей процес дає високоякісні монокристали, які в основному складаються з 6H-SiC фази (це пов'язано високою температурою росту). Покращений процес Лелі за участю індукційного нагрівання в графітових тиглях дає ще більші монокристали до 10 см в діаметрі. Кубічний SiC, як правило, вирощується за допомогою дорогого процесу - хімічного осадження з пари (CVD). Чистий карбід кремнію також може бути отриманий шляхом термічного розкладання полімеру поліметилсілану (SiCH 3 n), в атмосфері інертного газу при низьких температурах. Порівняно з CVD-процесом метод піролізу кращий, оскільки з полімеру можна сформувати виріб будь-якої форми перед запіканням в кераміку.