3.2. Основные конструкционные и технологические материалы.

Кварц.

Кварц – диоксид кремния, который обычно получают плавлением горного хрусталя или из тетрахлорида кремния синтетическим путём. Белый, кристаллический (имеет несколько полиморфных модификаций: кварц, тридимит, кристобалит и др.), тугоплавкий, высококипящий. В SiO₂ реализуются координационные структуры, в которых кремний имеет координационное число 4 и находится в тетраэдрическом окружении четырёх мостиковых (связывающих два атома кремния) атомов кислорода. Такая система связей обеспечивает высокую твёрдость и тугоплавкость диоксида кремния. SiO₂ – кварц плавится при 1713ºС, переходя в вязкую жидкость, в которой сохраняется основной каркас ковалентных связей. При охлаждении расплавленного кварца он переходит в стеклообразное состояние. Диэлектрик. При медленном охлаждении расплава образуется аморфная стеклообразная форма – кварцевое стекло. Кварцевое стекло обладает целым рядом ценных свойств – оно тугоплавко, химически стойко (реагирует только с плавиковой кислотой, фтором и концентрированными растворами щелочей), прозрачно для ультрафиолетовых лучей. Кварц имеет очень низкий коэффициент термического расширения и высокую температуру размягчения (изделия из кварца можно нагревать без заметной деформации до 1300ºС), пропускает лучи УФ, видимого, ИК-спектров. Диоксид кремния – кислотный оксид, но его реакционная способность крайне низка. Он не подвергается воздействию хлора, брома, водорода, инертен по отношению к большинству кислот и металлов даже при повышенной температуре. Как и любой высший оксид, SiO₂ формально является окислителем, но исключительно слабым. Он может быть восстановлен только при высоких температурах сильным восстановителем, например, металлическим калием или углеродом. Диоксид кремния реагирует при обычных условиях только со фтором (давая SiF₄) и фтороводородной кислотой (4):

SiO₂ + 6HF = H₂SiF₆ + 2H₂O, (4)

При нагревании порошкообразного SiO₂ с оксидами различных металлов образуются силикаты, а при сплавлении с Na₂CO₃ или Na₂SO₄ – водорастворимый силикат натрия («растворимое стекло») - Na₂SiO₃.

Для выращивания кристаллов кремния и, в том числе, кристаллов используемых в качестве лигатуры, применяются следующие кварцевые изделия: тигли для содержания расплава, изоляторы токоведущих частей из плавленого кварца, кварцевая ткань, другие изделия.

Графит.

Графит – серо-чёрное кристаллическое вещество с металлическим блеском, аллотропическая модификация углерода (-С). В слоистой структуре графита атомы углерода (sp²-гибридизация орбиталей) связаны в бесконечные плоскости, состоящие из правильных шестиугольников – гексагонов. Расстояние между любыми соседними атомами углерода в плоскости слоя равно 0,142 нм, а между соседними слоями – 0,335 нм. Каждый атом в слое связан с тремя соседними и углы между связями составляют 120º. в связях участвуют три неспаренных электрона из четырёх. Оставшиеся электроны на негибридных перпендикулярных р-орбиталях образуют общую систему π-связей, которая делокализована в пределах всего слоя. Углеродные слои объединяются в кристаллическую решётку, в основном за счёт межмолекулярных сил. Прочность химических связей в плоскости макромолекулы (716 кДж/моль) значительно больше, чем между слоями (всего 17 кДж/моль). Такое строение приводит к анизотропии физических свойств графита в направлениях, параллельном и перпендикулярном слоям. Этим определяется серый цвет, а также теплопроводность вдоль слоя.

Химически активен, в отличие от алмаза и карбина. Типичный восстановитель; реагирует с водяным паром, концентрированной азотной кислотой, оксидами металлов. Получение в промышленности – пиролиз каменного угля или углеводородов. При Т > 800ºС на воздухе графит загорается, поэтому изделия из графита можно использовать в среде инертного газа или в вакууме при температуре до 2200ºС, а в среде, содержащей кислород - до 500ºС. Сам графит достаточно мягок и хрупок, хорошо поддаётся механической обработке, но может крошиться в процессе обработки и эксплуатации изделий.

В производстве применяются изготовленные из графита элементы теплового узла (нагреватель, экраны, держатели крепежа, затравкодержатель), для некоторых изделий применяются пироуглеродные пропитки и покрытия. Детали теплового узла изготавливаются из графита с применением графитового войлока различных марок, графитовой ткани ТМП5, углерод-углеродных композитов.

Аргон.

Аргон – химический элемент 8 группы периодической системы, атомный номер 18. Природный аргон состоит из изотопов с массовым числом 36 (0,337% по объему), 38 (0,063%), 40 (99,600%), т.е., в отличие от других легких элементов, преобладает самый тяжелый изотоп. Причина этого – концентрирование ⁴⁰Аг в атмосфере в результате распада в литосфере ⁴⁰К посредством захвата орбитального электрона:

⁴⁰К + + е → ⁴⁰Аг+ (превращается 12% ⁴⁰К).

Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природного аргона 62*10^-26м². Конфигурация внешней электронной оболочки: 3s²3p⁶; энергия ионизации Аг° → Аг⁺ → Аг²⁺ соответственно 1510,27 и 2665,83 кДж/моль, ван-дер-ваальсовый радиус 0,192 нм, ковалентный радиус 0,095 нм. Самый распространённый из инертных газов элемент. В атмосфере содержится 0,934% по объёму, в литосфере – 4*10^-6% по массе.

Одноатомный бесцветный газ без запаха, почти в 2 раза тяжелее воздуха, обладает малой теплопроводностью. Атомная масса – 39,948. Плотность при 0ºС и давлении 101,3 кПа составляет 1,784 г/дм³, Т_кип = -185,9 ºС при давлении 101,3 кПа, плотность 1,784*10^-3 г/см³ (жидкого при 87 К - 1,40 г/см³, твердого при 40 К -1,40 г/см³). Теплопроводность 0,0164 Вт/(м*К). Диамагнетик, магнитная восприимчивость (-19,4*10^-6) не зависит от температуры. Растворимость в воде при нормальном давлении (см³/л): 52,4 (273 К), 33,6 (293 К), 24,9 (313 К), 20,8 (333 К), 18,1 (353 К). В органических растворителях аргон растворяется значительно лучше, чем в воде. Для твёрдого аргона кристаллическая решетка кубическая гранецентрированная (а = 0,542 нм, z = 4, пространственная группа Fm3m).

Как инертный газ не горит, но поддерживает горение, не токсичен, не взрывоопасен. Поскольку газообразный аргон тяжелее воздуха, при утечке из трубопровода он может заполнять колодцы, подвалы и служить причиной гибели находящегося в этих местах персонала вследствие разбавления воздуха и снижения в нём концентрации кислорода. При объёмной доле кислорода в смеси менее 19% развивается кислородная недостаточность, при значительном понижении содержания кислорода – удушье. В производстве монокристаллического кремния аргон применяется для создания инертной среды с направленной газодинамикой в рабочем пространстве установки выращивания с целью эвакуации из зоны реакции продуктов, образующихся в процессе выращивания.

Аргон относится к инертным газам, которые химически не взаимодействуют с металлом и не растворяются в нем. Аргон газообразный чистый выпускается трех сортов: высшего, первого и второго. Содержание аргона соответственно 99,99 %; 99,98 %; и 99,95 %. Примеси – кислород (<0,005), азот (< 0,004) , влага(<0,003). Аргон хранится и поставляется в стальных баллонах вместимостью 40л под давлением 150÷198,06 КПа. Цвет окраски баллона - серый, надпись «Аргон чистый» зеленого цвета. Упаковка, маркировка, транспортирование и хранение газообразного аргона осуществляются по ГОСТ 26460.

Аргон получают из атмосферного воздуха способом низкотемпературной ректификации. Обогащённая аргоном смесь, содержащая до 40% О₂, подаётся на разделение в колонну. В результате получают 95%-ный аргон, степень извлечения достигает 0,75÷0,80. Дальнейшая очистка от О₂ осуществляется гидрированием в присутствии платинового катализатора при 333÷343 К, а от N₂ низкотемпературной ректификацией. Применяется также адсорбционный метод очистки (от О₂, Н₂ и других благородных газов) с использованием активного угля или молекулярных сит, аргон может быть получен и как побочный продукт из продувочных газов в колоннах для синтеза NH_3.