Kiselkarbid | |
---|---|
Allmän | |
Chem. formel | Sic |
Fysikaliska egenskaper | |
stat | kristaller, druser eller kristallina pulver från transparent vit, gul, grön eller mörkblå till svart, beroende på renhet, dispersion, allotropa och polytypiska modifikationer. |
Molar massa | 40,0962 g/ mol |
Densitet | 3,21 g/cm³ [1] |
Hårdhet | 9.5 |
Joniseringsenergi | 9,3 ± 0,1 eV [2] |
Termiska egenskaper | |
Temperatur | |
• smältning | (sönderdelning) 2730°C |
• sublimering | 4892±1℉ [2] |
Ångtryck | 0 ± 1 mmHg [2] |
Kemiska egenskaper | |
Löslighet | |
• i vatten | olöslig |
• i syror | olöslig |
Optiska egenskaper | |
Brytningsindex | 2,55 [3] |
Klassificering | |
Reg. CAS-nummer | 409-21-2 |
PubChem | 9863 |
Reg. EINECS-nummer | 206-991-8 |
LEDER | [C-]#[Si+] |
InChI | InChI=1S/CSi/cl-2HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N |
RTECS | VW0450000 |
CHEBI | 29390 |
ChemSpider | 9479 |
Säkerhet | |
NFPA 704 | 0 ett 0 |
Data baseras på standardförhållanden (25 °C, 100 kPa) om inget annat anges. | |
Mediafiler på Wikimedia Commons |
Kiselkarbid ( karborundum ) är en binär oorganisk kemisk förening av kisel med kol . Kemisk formel för SiC. I naturen förekommer det som ett extremt sällsynt mineral - moissanite . Kiselkarbidpulver erhölls 1893 . Det används som ett slipmedel , en halvledare , i mikroelektronik (i elfordons kraftverk), för insatser som imiterar diamant i smycken .
Tidiga, icke-systematiska och ofta okända synteser av kiselkarbid rapporterades av Despretz (1849), Marsden (1880) och Colson (1882) [4] . Storskalig produktion började Edward Goodrich Acheson 1893. Han patenterade en metod för att erhålla pulvriserad kiselkarbid 28 februari 1893 [5] . Acheson utvecklade också en elektrisk ugn, där kiselkarbid fortfarande skapas. Han grundade The Carborundum Company för att producera ett pulveriserat ämne som ursprungligen användes som slipmedel [6] .
Historiskt sett var den första användningen av kiselkarbid som ett slipmedel. Detta följdes av tillämpningar i elektroniska apparater. I början av 1900-talet användes kiselkarbid som detektor i de första radiomottagarna [7] . 1907 skapade Henry Joseph Round den första lysdioden genom att lägga spänning på SiC-kristaller och observera gul, grön och orange strålning vid katoden . Dessa experiment upprepades av O. V. Losev i Sovjetunionen 1923 [8] .
Naturlig kiselkarbid-moissanit kan endast hittas i försumbara mängder i vissa typer av meteoriter och i avlagringar av korund och kimberlit . Nästan all kiselkarbid som säljs i världen, inklusive i form av moissanite smycken, är syntetisk. Naturlig moissanite upptäcktes först 1893 som små sexkantiga lamellinneslutningar i Canyon Diablo-meteoriten i Arizona av Ferdinand Henri Moissan , efter vilken mineralet fick sitt namn 1905 [9] . Moissans forskning om det naturliga ursprunget av kiselkarbid var från början kontroversiell eftersom hans prov kunde ha kontaminerats med kiselkarbidspån från en såg (sågar innehöll redan detta ämne vid den tiden) [10] .
Även om kiselkarbid är sällsynt på jorden, är den brett spridd i rymden . Det finns i dammmoln runt kolrika stjärnor och finns i överflöd i orörda, oförändrade meteoriter (nästan uteslutande i betapolymorf form ). En analys av kiselkarbidkorn som hittats i den kolhaltiga kondritmeteoriten Murchison visade ett anomalt isotopförhållande mellan kol och kisel, vilket indikerar ursprunget för detta ämne utanför solsystemet : 99% av SiC-kornen bildades nära kolrika stjärnor som tillhörde asymptotisk jättegren [11] . Kiselkarbid kan ofta detekteras runt sådana stjärnor i deras IR- spektra [12] .
På grund av sällsyntheten av moissanite i naturen är kiselkarbid vanligtvis av artificiellt ursprung. Den enklaste produktionsmetoden är sintring av kiseldioxid med kol i en Acheson-grafit-elektrisk ugn vid en hög temperatur på 1600–2500 °C:
Renheten hos kiselkarbid som bildas i Acheson-ugnen beror på avståndet till grafitmotståndet i värmeelementet .
Kristaller av hög renhet färglösa, ljusgula och gröna är närmast motståndet. På ett större avstånd från motståndet ändras färgen till blå eller svart på grund av föroreningar. Föroreningar är oftast kväve och aluminium, de påverkar den elektriska ledningsförmågan hos det resulterande materialet [13] .
Ren kiselkarbid kan erhållas med den så kallade Lely-processen [14] , där pulveriserad SiC sublimeras i en argonatmosfär vid 2500 °C och avsätts på ett kallare substrat i form av flingor enkristaller upp till 2 × 2 cm i storlek Denna process ger högkvalitativa enkristaller som är resultatet av snabb uppvärmning till höga temperaturer och består huvudsakligen av 6H-SiC-fasen. En förbättrad Lely-process som involverar induktionsvärmning i grafitdeglar ger ännu större enkristaller upp till 10 cm i diameter [15] . Cubic SiC, som regel, odlas med en dyrare process - kemisk ångavsättning [13] [16] .
Ren kiselkarbid kan också erhållas genom termisk sönderdelning av polymeren polymetylsilan (SiCH3 ) n , i en inert gasatmosfär vid låga temperaturer. När det gäller CVD-processen är pyrolysmetoden mer bekväm, eftersom ett föremål av vilken form som helst kan formas av polymeren innan det bakas till keramik [17] [18] [19] [20] .
(p)3C-SiC
4H-SiC
(a)6H-SiC
Ungefär 250 kristallina former av kiselkarbid är kända [21] . SiC-polymorfism kännetecknas av ett stort antal liknande kristallstrukturer, kallade polytyper. De är varianter av samma kemiska förening som är identiska i två dimensioner men skiljer sig i en tredje. Således kan de betraktas som lager staplade i en stapel i en viss sekvens [22] .
Alfa-kiselkarbid (α-SiC) är den vanligast förekommande polymorfen . Denna modifiering bildas vid temperaturer över 1700 ° C och har ett hexagonalt gitter, en kristallstruktur av wurtzitetyp .
Beta-modifieringen (β-SiC), med en kristallstruktur av zinkblandningstyp (analog med diamantstrukturen ), bildas vid temperaturer under 1700 °C [23] . Fram till nyligen hade betaformen relativt liten kommersiell användning, men nu, på grund av dess användning som heterogena katalysatorer, ökar intresset för den. Uppvärmning av betaformen till temperaturer över 1700°C kan leda till en gradvis övergång av den kubiska betaformen till de hexagonala (2Н, 4Н, 6Н, 8Н) och rombiska (15R) former. [24] Med en ökning av temperaturen och tiden för processen går alla de resulterande formerna så småningom över i den hexagonala alfapolytypen 6H. [25]
polytyp | 3C(β) | 4H | 6H(a) |
---|---|---|---|
Kristallstruktur | Zinkhake (kubisk) | Hexagonal | Hexagonal |
rymdgrupp | |||
Pearson symbol | |||
Gitterkonstanter (Å) | |||
Densitet (g/cm³) | 3.21 | 3.21 | 3.21 |
Bandgap (eV) | 2,36 | 3.23 | 3.05 |
MOS (GPa) | 250 | 220 | 220 |
Värmeledningsförmåga (W/(cm K)) | 3.6 | 3.7 | 4.9 |
Ren kiselkarbid är färglös. Dess nyanser av brunt till svart är förknippat med järnföroreningar . Kristallernas iriserande briljans beror på det faktum att vid kontakt med luft bildas en film av kiseldioxid på deras yta , vilket leder till passivering av det yttre lagret.
Kiselkarbid är en mycket inert kemisk substans: den interagerar praktiskt taget inte med de flesta syror, förutom koncentrerad fluorvätesyra (fluorvätesyra), salpetersyra och ortofosforsyra . Klarar utomhusuppvärmning upp till temperaturer på cirka 1500 °C. Kiselkarbid smälter inte vid något känt tryck, men kan sublimeras vid temperaturer över 1700 °C. Den höga termiska stabiliteten hos kiselkarbid gör den lämplig för tillverkning av lager och utrustningsdelar för högtemperaturugnar.
Det finns ett stort intresse för att använda detta ämne som ett halvledarmaterial inom elektronik, där hög värmeledningsförmåga , hög genombrottsspänning och hög elektrisk strömtäthet gör det till ett lovande material för högeffektsenheter [28] , inklusive skapandet av högeffektsenheter. lysdioder. Kiselkarbid har en mycket låg termisk expansionskoefficient (4,0⋅10 −6 K) och i ett ganska brett driftstemperaturområde upplever den inte fasövergångar (inklusive andra ordningens fasövergångar), vilket kan orsaka förstörelse av enkristaller [ 13] .
Kiselkarbid är en halvledare vars konduktivitetstyp beror på föroreningar. Konduktivitet av n -typ erhålls genom dopning med kväve eller fosfor , och p -typ - med aluminium , bor , gallium eller beryllium [3] . Metallisk ledningsförmåga uppnåddes genom kraftig dopning med bor , aluminium och kväve .
Supraledning hittades i polytyperna 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B och 6H-SiC:B vid samma temperatur, 1,5 K [29] .
Kiselkarbid är ett hårt, eldfast ämne. Kristallgittret liknar det hos en diamant. Är en halvledare . [trettio]
Kiselkarbid är den enda binära föreningen som bildas av grundämnena i grupp IV i det periodiska systemet för grundämnen av D. I. Mendeleev . Beroende på typen av kemisk bindning tillhör kiselkarbid kovalenta kristaller. Andelen av jonbindningen på grund av viss skillnad i elektronegativiteten hos Si- och C-atomerna överstiger inte 10–12 %. Den kovalenta bindningsenergin mellan kisel- och kolatomer i SiC-kristaller är nästan tre gånger högre än bindningsenergin mellan atomer i kiselkristaller. På grund av starka kemiska bindningar utmärker sig kiselkarbid bland andra material för sin höga kemiska och strålningsbeständighet, temperaturstabilitet hos fysikaliska egenskaper, höga mekaniska hållfasthet och höga hårdhet. I en inert atmosfär sönderdelas kiselkarbid endast vid mycket höga temperaturer:
Mycket överhettad ånga bryter ner kiselkarbid:
Koncentrerade syror och deras blandningar löser kiselkarbid:
I närvaro av syre löser alkalier kiselkarbid:
När den värms upp reagerar den med syre :
med halogener : med kväve , bildar kiselnitrid : med aktiva metaller: och deras peroxider :I den moderna skärbutiken är kiselkarbid ett populärt slipmedel på grund av sin styrka och låga kostnad. Inom tillverkningsindustrin, på grund av sin höga hårdhet, används den i slipande applikationer som slipning , honing , vattenskärning och sandblästring . Kiselkarbidpartiklar lamineras på papper för att skapa ett sandpapper [33] .
Suspensioner av fina kiselkarbidpulver i olja, glycerin eller etylenglykol används i processen för trådskärning av halvledarenkristaller till wafers.
1982 upptäcktes av misstag en komposit bestående av aluminiumoxid och kiselkarbid, vars kristaller växer i form av mycket tunna trådar [34] .
Kiselkarbid, tillsammans med volframkarbid och andra slitstarka material, används för att skapa mekaniska sluttätningar .
På 1980- och 1990-talen utforskades kiselkarbid i flera forsknings- och utvecklingsprogram för högtemperaturgasturbiner i USA, Japan och Europa. Det var planerat att de utvecklade kiselkarbidkomponenterna skulle ersätta turbinblad och munstycken av nickelsuperlegering . Inget av dessa projekt ledde dock till industriell produktion, främst på grund av kiselkarbidens låga slaghållfasthet och låga brottseghet [35] .
Liksom andra mycket hårda keramiska material ( aluminiumoxid och borkarbid ) används kiselkarbid som en komponent i kompositpansar som används för att skydda vapen och militär utrustning, såväl som en integrerad del av skiktad keramisk/organoplastisk rustning för skottsäkra västar. Pinnacle Armors kroppsrustning " Dragon Skin " använder kiselkarbidskivor [36] .
Det infiltrerade kislet i kol-kol-kompositmaterialet används för att producera högkvalitativa "keramiska" skivbromsar , eftersom det kan motstå extrema temperaturer. Kisel reagerar med grafit i "kol-kol-kompositen" för att bli kolfiberförstärkt kiselkarbid (C/SiC). Skivor gjorda av detta material används på vissa sportbilar, inklusive Porsche Carrera GT , Bugatti Veyron , Chevrolet Corvette ZR1 , Bentley , Ferrari , Lamborghini [37] . Kiselkarbid används även i sintrade former i dieselpartikelfilter [38] . [ förtydliga ]
De första elektriska enheterna från SiC var icke-linjära element - varistorer och ventilavledare (se även: tirit , vilit , latin , silit ) för att skydda elektriska installationer från överspänningar . Kiselkarbid används i avledare i form av vilitmaterial - en blandning av SiC och ett bindemedel. Varistorn har ett högt motstånd tills spänningen över den når ett visst tröskelvärde V T , varefter dess resistans sjunker till en lägre nivå och bibehåller detta värde tills den pålagda spänningen faller under V T [39] .
Elektroniska apparaterKiselkarbid används i ultrasnabba högspännings- Schottky-dioder , NMOS-transistorer och högtemperaturtyristorer [ 40] . Jämfört med kisel- och galliumarsenidinstrument har kiselkarbidinstrument följande fördelar:
Av de nästan tvåhundrafemtio modifieringarna av kiselkarbid används endast två i halvledarenheter - 4H-SiC och 6H-SiC .
Problem med gränssnittet mellan element baserade på kiseldioxid hindrar utvecklingen av n-MOS-transistorer och IGBT baserade på kiselkarbid. Ett annat problem är att SiC själv bryts ner vid höga elektriska fält på grund av bildandet av staplande felkedjor, men detta problem kan lösas mycket snart [41] .
SiC- lysdiodernas historia är ganska anmärkningsvärd: för första gången upptäcktes luminescens i SiC av H. Round 1907. De första kommersiella lysdioderna var också baserade på kiselkarbid. Gula lysdioder från 3C-SiC tillverkades i Sovjetunionen på 1970-talet [42] , och blåa (från 6H-SiC) runt om i världen på 1980-talet [43] . Produktionen upphörde snart eftersom galliumnitrid visade 10 till 100 gånger ljusare utsläpp. Denna effektivitetsskillnad beror på SiC:s ogynnsamma indirekta bandgap, medan galliumnitrid har ett direkt bandgap som ökar ljusstyrkan. SiC är dock fortfarande en av de viktiga komponenterna i lysdioder - det är ett populärt substrat för odling av galliumnitridenheter, och det fungerar också som en värmespridare i högeffekts lysdioder [43] .
Styvhet, hög värmeledningsförmåga och låg värmeutvidgningskoefficient gör kiselkarbid till ett termostabilt material över ett brett område av driftstemperaturer. Detta orsakar den utbredda användningen av kiselkarbidmatriser för tillverkning av spegelelement i olika optiska system, till exempel i astronomiska teleskop eller i kraftöverföringssystem som använder laserstrålning. Teknikens framsteg ( kemisk ångavsättning ) gör det möjligt att skapa polykristallina kiselkarbidskivor upp till 3,5 meter i diameter. Spegelämnen kan formas med en mängd olika metoder, inklusive högtryckspressning av rent, fint kiselkarbidpulver. Flera teleskop, som Gaia , är redan utrustade med silverbelagd kiselkarbidoptik [44] [45] .
Kiselkarbidfibrer används för att mäta temperaturen på gaser med en optisk metod som kallas fin filamentpyrometri. Vid mätning införs tunna filament (diameter 15 µm) av kiselkarbid i mätzonen. Fibrerna har praktiskt taget ingen effekt på förbränningsprocessen och deras temperatur ligger nära lågans temperatur. Denna metod kan användas för att mäta temperaturer i intervallet 800–2500 K [46] [47] .
Det första omnämnandet av användningen av kiselkarbid för tillverkning av värmeelement går tillbaka till början av 1900-talet, då de gjordes av The Carborundum Company i USA och EKL i Berlin .
För närvarande är kiselkarbid ett av de typiska materialen för tillverkning av värmeelement som kan arbeta vid temperaturer upp till 1400 °C i luft och upp till 2000 °C i en neutral eller reducerande miljö. vilket är märkbart högre än vad som är tillgängligt för många metallvärmare .
Kiselkarbidvärmeelement används vid smältning av icke-järnmetaller och glas , vid värmebehandling av metaller , floatglas , vid tillverkning av keramik , elektroniska komponenter, etc. [48]
På grund av dess höga motståndskraft mot yttre negativa faktorer, inklusive naturliga sådana, hög hållfasthet och hårdhet, låg värmeutvidgningskoefficient och låga diffusionskoefficient för föroreningar och klyvningsprodukter, har reaktionssintrad kiselkarbid funnit tillämpning i kärnenergi [49] .
Kiselkarbid, tillsammans med andra material, används som ett lager av en tristrukturell isotrop beläggning för kärnbränsleelement i högtemperaturreaktorer, inklusive gaskylda reaktorer.
Kiselkarbidkapslar är gjorda för långtidsförvaring och slutförvaring av kärnavfall.
Som ädelsten används kiselkarbid i smycken: det kallas "syntetisk moissanite" eller helt enkelt "moissanite". Moissanite liknar diamant: den är genomskinlig och hård (9-9,5 på Mohs-skalan , jämfört med 10 för diamant), med ett brytningsindex på 2,65-2,69 (jämfört med 2,42 för diamant ).
Moissanite har en något mer komplex struktur än vanliga cubic zirconia . Till skillnad från diamant kan moissanite ha stark dubbelbrytning . Denna kvalitet är önskvärd i vissa optiska mönster, men inte i ädelstenar. Av denna anledning skärs moissanite ädelstenar längs kristallens optiska axel för att minimera effekten av dubbelbrytning. Moissanite har en lägre densitet på 3,21 g/cm³ (mot 3,53 g/cm³ för diamant ) och är mycket mer motståndskraftig mot värme. Resultatet är en sten med hög mineralglans , med tydliga kanter och god motståndskraft mot yttre påverkan. Till skillnad från diamant, som brinner vid 800°C, förblir moissanite intakt upp till 1800°C (som jämförelse: 1064°C är smältpunkten för rent guld ). Moissanite har blivit populärt som ersättning för diamant, och kan misstas för diamant eftersom dess värmeledningsförmåga är mycket närmare diamantens än någon annan diamantersättning. En ädelsten kan särskiljas från en diamant genom sin dubbelbrytning och mycket lite grön eller gul fluorescens under ultraviolett ljus [50] .
Kiselkarbid fungerar som bränsle för tillverkning av stål i omvandlarindustrin . Det är renare än kol , vilket minskar produktionsavfallet. Den kan också användas för temperaturhöjning och koldioxidkontroll . Användningen av kiselkarbid kostar mindre och möjliggör produktion av rent stål på grund av de låga halterna av spårämnen jämfört med en kombination av ferrokisel och kol [51] .
Kiselkarbidens naturliga motståndskraft mot oxidation, liksom upptäckten av nya sätt att syntetisera den kubiska formen av β-SiC med en större yta, leder till ett stort intresse för att använda den som en heterogen katalysator . Denna form har redan använts som en katalysator vid oxidation av kolväten såsom n-butan , maleinsyraanhydrid [52] [53] .
Kiselkarbid används för att framställa grafen genom grafitisering vid höga temperaturer. Denna produktion anses vara en av de lovande metoderna för syntes av grafen i stor skala för praktiska tillämpningar [54] [55] . Den höga temperaturen (2830°C som ovan i reaktionen) gör att kiselkarbiden sönderdelas. Kisel, som ett mer flyktigt element, lämnar skikten nära ytan och lämnar en- eller flerskiktsgrafen, vars nedre är starkt förknippat med bulkkristallen. Som utgångsmaterial används 6H-SiC(0001)-enkristaller, på vilkas yta grafenterrasser bildades som ett resultat av värmebehandling med storlekar på cirka 1 mikron, åtskilda av regioner med flera lager [56] .
Kan användas som fiber i fiberarmerad betong (liknande basaltfiber ) [57] .
Ordböcker och uppslagsverk |
| |||
---|---|---|---|---|
|