Андрей Смирнов
Время чтения: ~10 мин.
Просмотров: 0

Карбид кремния

Физико-химические характеристики

По химической классификации карборунд – это карбид кремния с простой формулой.

Тверже него только алмаз. Карборунд плотен, тугоплавок, равнодушен к истиранию, кислотам, прочим агрессивным веществам.

Карбид кремния:

  • Плотность 3,05 г/см³.
  • Состав 93 % карбида кремния.
  • Предел прочности на изгиб 320…350 МПа.
  • Предел прочности на сжатие 2300 МПа.
  • Модуль упругости 380 ГПа.
  • Твердость 87…92 HRC.
  • Трещиностойкость в пределах 3.5 — 4.5 МПа·м1/2.
  • Коэффициент теплопроводности при 100 °C, 140—200 Вт/(м·К).
  • Коэфф. теплового расширения при 20-1000 °C, 3,5…4,0 К−1⋅10−6.
  • Вязкость разрушения 3,5 МПа·м1/2.

Самосвязанный карбид кремния:

  • Плотность 3,1 г/см³.
  • Состав 99 % карбида кремния.
  • Предел прочности на изгиб 350—450 МПа.
  • Предел прочности на сжатие 2500 МПа.
  • Модуль упругости 390—420 ГПа.
  • Твердость 90…95 HRC.
  • Трещиностойкость в пределах 4 — 5 МПа·м1/2.
  • Коэффициент теплопроводности при 100 °C, 80 — 130 Вт/(м·К).
  • Коэфф. теплового расширения при 20-1000 °C, 2,8…4 К−1⋅10−6.
  • Вязкость разрушения 5 МПа·м1/2.

ВК6ОМ:

  • Плотность 14,8 г/см³.
  • Состав Карбид вольфрама.
  • Предел прочности на изгиб 1700…1900 МПа.
  • Предел прочности на сжатие 3500 МПа.
  • Модуль упругости 550 ГПа.
  • Твердость 90 HRA.
  • Трещиностойкость в пределах 8-25 МПа·м1/2.
  • Коэффициент теплопроводности при 100 °C, 75…85 Вт/(м·К).
  • Коэфф. теплового расширения при 20-1000 °C, 4,5 К−1⋅10−6.
  • Вязкость разрушения 10…15 МПа·м1/2.

Силицированный графит СГ-Т:

  • Плотность 2,6 г/см³.
  • Состав 50 % карбида кремния.
  • Предел прочности на изгиб 90…110 МПа.
  • Предел прочности на сжатие 300…320 МПа.
  • Модуль упругости 95 ГПа.
  • Твердость 50…70 HRC.
  • Трещиностойкость в пределах 2-3 МПа·м1/2.
  • Коэффициент теплопроводности при 10 °C, 100…115 Вт/(м·К).
  • Коэфф. теплового расширения при 20-1000 °C, 4,6 К−1⋅10−6.
  • Вязкость разрушения 3…4 МПа·м1/2.

Однако лучи света камень преломляет сильнее алмаза, по этому параметру сопоставим с муассанитом.

Получение карбида кремния

Наибольшее количество природного происхождения карбида кремния содержится в космическом пространстве: на пылевых облаках, окружающих звезды, в метеоритах. На Земле этот материал присутствует только на месторождениях кимберлита или корунда, что усложняет процесс его добычи в промышленных масштабах. По этой причине карборунд, используемый в современной индустриальных сферах и бытовых условиях, является искусственным.

Самым распространенным способом получения этого химического соединения является нагревание двуокиси кремния углеродом в специализированных печах, работающих на электричестве. Вещество нагревается до температуры 1800-2300 °C.Источниками кремния являются кварцевый песок, очищенный от примесей, и антрацит. Для улучшения газопроницаемости материала используются опилки из древесины. Цвет синтетического карборунда изменяется при помощи добавления хлорида натрия (поваренной соли). Увеличение плотности материала производится при помощи прессования. После этих процессов структурные частицы меняют свое местоположения, что приводит к деформации твердого раствора.

Также данное вещество получают при помощи следующих методов:

  1. Сублимация. Это технология предоставляет выращивать зерна карбида кремния природных материалов. Рост кристаллов осуществляется в графитовых тиглях из газовой фазы. Получить карборунд при помощи этой технологии можно из инертных газов, нагретых до температуры 2600 °C.
  2. Эпитаксия. Этот способ используется для получения твердых растворов карбида кремния. В нем используется водород, предварительно очищенный от примесей при помощи диффузионных методов. Химический элемент вступает в реакцию со свободным углеродом, что приводит к образованию полупроводниковых пленок.
  3. Синтез. Сырьем для получения карборунда является графит, измельченный до порошкообразного состояния. Также для получения необходимого материала можно использовать сажу с размером частиц не более 20 мкм. Синтез химических веществ происходит в твердой фазе, что обусловлено большим расстоянием между атомами углерода и кремния.
  4. Приготовление шихты. Для этого метода требуются компоненты, содержащие большое количество углерода и кремния. В качестве сырья могут использоваться нанопорошки, углеводы или многоатомные спирты. Приготовление шихты осуществляется в деионизованной воде в течение 5,5 часов. Материал нагревается ступенчато до температуры 1650 °С.

Для промышленных нужд чаще всего изготавливают карбиды зеленого и черного цветов. Особенности их химического состава определены в ГОСТ 26327-84. В нем указаны 4 марки карбида кремния: 53С, 54С, 63С и 64С.

Инновации на основе применения карбида кремния:

Разработана технология закаливания стекла наночастицами карбида кремния. Так, наночастицы карбида кремния при добавлении в обычное стекло укрепляют его кристаллическую структуру и делают его прочнее традиционного закаленного стекла в пять и более раз. Такое стекло при ударе поглощает энергию удара и способно выдержать значительно большую энергию разрушения, чем обычное закаленное стекло. Если же все таки от удара и образуются трещины, то они разветвляются на крошечные сети, а не по всей поверхности стекла.

Из нанокристаллического карбида кремния производят карбидкремниевое волокно. Оно имеет прочность до σ + = 3,45 ГПа и Е+ = 430 ГПа и является альтернативой углеродным волокнам. Карбидкремниевое волокно может эксплуатироваться в кислородсодержащих средах при температурах вплоть до 1600 оС, сохраняя при этом свои прочностные характеристики. В то время как углеродные волокна резко снижают свои прочностные характеристики уже при 350-400 оС.

Примечание:  Фото https://www.pexels.com

Как возможно научиться писать тексты и зарабатывать на этом удаленно? Например, можете пройти курс «Копирайтинг от А до Я», который подойдет даже начинающим авторам.

Другие записи:

карта сайта

карбид кремния купить круг зеленый черный шлифовальный свойства какая кристаллическая решетка кристаллический применение кислород 4 сожгли в кислороде гост формула sic цена зернистость оксид алюминия твердость 63с 64собработка диск технология заточка бруски получение алюминий производство камни круг порошок карбида кремния в москве производителипокрытие карбидом кремния связка

Коэффициент востребованности
525

Получение

Существует несколько методов получения рассматриваемого соединения.

Первый — углеродное насыщение вольфрама. В результате на поверхности вольфрамовых частиц образуется монокарбид. Из него диффундирует углерод, формируя слой полукарбидного состава.

Для данных работ применяют вольфрамовый порошок и сажу. Данные материалы смешивают в определенном соотношении, наполняют ими, утрамбовывая, емкости и ставят в печь. Во избежание окисления операцию производят в водородной среде, так как в результате взаимодействия данного элемента с углеродом при 1300°С формируется ацетилен. Рассматриваемая технология предполагает формирование карбида вольфрама преимущественно за счет углерода. Температурный режим определяется гранулометрическим составом порошка.  Так, для мелкозернистого используется температурный интервал 1300 — 1350°С, для крупнозернистого — 1600°С. Длительность выдержки равна 1 — 2 ч. В завершении получается карбид вольфрама, представленный немного спекшимися блоками.

Вольфрам

Второй вариант — углеродное восстановление вольфрамового оксида с карбидизацией. Данный метод предполагает совмещение карбидизации и восстановления. Процесс идет в среде CO и водорода.

Кроме того, карбид вольфрама получают из газовой фазы путем осаждения. Такое производство предполагает разложение при 1000°С карбонила вольфрама.

Восстановление вольфрамовых соединений с карбидизацией. Данную операцию осуществляют путем нагрева в водородной среде смеси паравольфрамата аммония либо вольфрамового ангидрида и вольфрамовой кислоты при 850 — 1000°С.

Наконец, выращивают кристаллы данного соединения из расплава. При этом используют смесь из Co и 40% монокарбида. Ее расплавляют при 1600°С в тигле из оксида алюминия. После гомогенизации температуру постепенно (1 — 3°С/мин) снижают до 1500°С и выдерживают 12 ч. Далее материал охлаждают и в кипящей соляной кислоте растворяют матрицу.

Кроме того, большие монокристаллы (до 1 см) выращивают по методу Чохральского.

Структура и свойства

Чистый карбид кремния располагает гексагональной кристаллической решеткой и имеет стехиометрический состав. Вещество состоит из чистых кристаллов с алмазным блеском. При наличии примесей материал окрашивается в коричневый, зеленый, серый, белый или черный цвета. Окрас вещества зависит от его химического состава. При контакте с кислородом на поверхности кристаллов образуется оксидная пленка с радужным блеском.

Кристаллическая решетка SiC

Структурные свойства карбида кремния зависят от температурного режима. При нагревании до температуры 1700 °C образуется альфа-модификация. Она является одним из самых распространенных полиформов, получаемых искусственным путем. Для этой модификации характерно явление политипизма. Она имеет больше 50 политипных модификаций со схожей структурой кристаллической решетки. При нагревании вещества до более низких температур образуется бета-модификация. Она широко применяется в качестве гетерогенных катализаторов.

Материал характеризуется следующими физическими свойствами:

  • плотность: 3,21 г/см3;
  • ширина запрещенной зоны: 2,9 эВ;
  • микротвердость: 3300-3600 кгс/мм2;
  • энергия кристаллической решётки: 288 ккал/г·форм;
  • теплопроводность: до 4,9 Вт/(см·К);
  • температура плавления: 2830 °C.

Карбид кремния является одним из бинарных химических соединений. Молекулы вещества связаны между собой ковалентной связью. Благодаря большой ширине запрещенной зоны и высокой температуре плавления, карборунд обладает свойствами полупроводников. Материал устойчив к воздействию радиации и жарких температур. Данное химическое сопротивление может проводить электрический ток при температурах выше 1400 °C.

Карбид кремния является инертным химическим соединением. Он разлагается при взаимодействии с перегретым паром. При температурах выше 1700 °C вещество сублимирует, но не начинает плавиться. Карборунд не вступает в реакцию с большинством кислот, за исключением азотной, фтористоводородной и ортофосфорной. При наличии кислорода материал полностью растворяется во время взаимодействия с щелочами.

Физико-химические свойства

Все основные свойства уже перечислены осталось лишь подытожить.

Это синтетический материал, который по составу и свойствам соответствует натуральному минералу муассанит. Это неорганическое соединение кремния и углерода.

Внешне напоминает уголь антрацит, но сильно блестит. Технический продук может иметь зелёную, серую или жёлтую окраску. Бесцветные образцы могут применяться в ювелирном искусстве или оптике. К минералам карборунд не причисляется.

ЦветОт бесцветного до чёрного
Химическая формулаSiC
БлескПолуметаллический
Твёрдость по шкале Мооса9,5
ПрозрачностьПрозрачный, непрозрачный, полупрозрачный, просвечивающий
Плотность3,17
Коэффициент преломления (у ювелирного образца)2.65

Прочность.

Ударная вязкость, или сопротивление разрушению абразива при ударе, обычно определяется по уменьшению размера частицы при прокатывании в шаровой мельнице с контролируемым усилием или при ее ударе о твердую поверхность. Это испытание, однако, не стандартизовано. Близкий показатель получается при определении сопротивления абразива сжатию. Обнаружено, что, как правило, чем тверже абразив, тем выше у него сопротивление сжатию.

Прочность абразива важна при шлифовке несвязанными зернами, но для изготовления шлифовального круга более выгоден хрупкий абразив, поскольку шлифующее острие должно при затуплении скалываться, чтобы появились новые острые рабочие ребра зерна.

Применение карборунда

Специалисты предсказывают карборунду довольно оптимистичное будущее. Его активное применение сегодня зафиксировано в таких областях человеческой деятельности, как автомобильная и металлургическая промышленность, астрономия, пирометрия, его даже применяют на практике в такой сфере, как электроника.

Конструкционный материал

С использованием карбида кремния изготавливают такие элементы, как:

  • тормоза для спортивных авто;
  • элементы бронированной военной техники. Это стало возможным благодаря повышенному уровню твердости исходного материала;
  • шлифовальные порошки, активно использующиеся в различных отраслях промышленности, таких как металлургическая, электротехническая;
  • высококачественные сопла и форсунки, а также распылители и насадки.

В ювелирном деле

Ученые долго и с интересом всматривались в пляшущие искорки света, что излучал муассанит, и, в конце концов, вынесли единодушный вердикт: камень идеален для изготовления элитных, эксклюзивных драгоценностей на любой вкус и цвет.

Шкатулки модниц по всему миру пополнились потрясающими украшениями с муассанитом: милыми колечками, всевозможными браслетами, подвесками – представители обоих полов сразу же оценили элегантный, вполне презентабельный внешний вид ювелирных изделий.

Коллекции дорогостоящих изделий сразу же пополнились украшениями, где чередуются брутальный аристократический и авангардный стили, где классика умело сочетается с романтизмом, и где арабский шик дополняется строгой европейской сдержанностью.

При помощи элитных украшений из муассанитов можно создать свой собственный имидж – причем образ твой может быть как строгим, респектабельным, так и по-лирически романтичным.

Даже самый простой, не цепляющий никакими деталями костюм, дополненный «холодными» украшениями, выделит тебя из серой, тучной толпы, привнесет в образ каплю благородства и неподдельной роскоши. При этом украшения из муассанита не отличаются крикливой броскостью, что не может не радовать.

Пьянительная роскошь камня и завораживающие глубина его света сделали невозможное, а именно – браслет с муассанитами на руке выглядит просто умопомрачительно, колечко на пальце – мило, и в то же время статусно.

Как полупроводник

Карбид кремния карборунд – отличный полупроводник, который:

  1. Обрел славу хорошего катализатора.
  2. Используется для изготовления высококачественных, стабильных светодиодов высокой мощности (достигающей 9 ватт).
  3. Применяется для производства лазера.
  4. Используется для изготовления терморезистора, всевозможных полупроводниковых устройств и полевого транзистора.

Таким образом, мауссанит – это «пришелец» из Космоса, который был дарован человеку по велению небес!

Дата: 11.04.2017

Примечания

  1. Patnaik, P. Handbook of Inorganic Chemicals (англ.). — McGraw-Hill Education, 2002. — ISBN 0070494398.
  2. ↑ . Ioffe Institute.
  3. Acheson, G. (1893) «Production of artificial crystalline carbonaceous material»
  4. Dunwoody, Henry H.C. (1906) «Wireless telegraph system» (silicon carbide detector)
  5. Hart, Jeffrey A.; Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. .
  6. Jim Kelly. .
  7. Lely, Jan Anthony. Darstellung von Einkristallen von Silicium Carbid und Beherrschung von Art und Menge der eingebauten Verunreinigungen (нем.) // Журнал Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft. — 1955. — H. 32. — S. 229—236.
  8. стр. 119—128 в «Карбид кремния» под ред. Г.Хенита и Р.Рол, пер. с англ.; М. Мир: 1972 349с., с ил.
  9. Г. Г. Гнесин «Карбидокремниевые материалы» М. Металлургия: 1977, 216с, с ил.
  10. . Ioffe Institute. Дата обращения 6 июня 2009.
  11.  (недоступная ссылка). Дата обращения 24 мая 2010.
  12. Рабинович, В. А. Кремния карбид // Краткий химический справочник / В. А. Рабинович, З. Я. Хавин. — Л. : Химия, 1977. — С. 74.
  13. А. М. Голуб. Общая и неорганическая химия = Загальна та неорганична хімія. — Вища школа, 1971. — С. 227. — 443 с. — 6700 экз.
  14. Fuster, Marco A. (1997) «Skateboard grip tape»,
  15. . Future Firepower.
  16.  (недоступная ссылка).
  17. .
  18.  (англ.).
  19.  (недоступная ссылка)
  20. 212. К. А. Сарайкина, В. А. Шаманов Дисперсное армирование бетонов // Вестник ПГТУ. Урбанистика. 2011. № 2.
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации