Карбид кремния: свойства, описание, применение
Карбид кремния (карборунд, SiC) – синтетический материал, соответствующий по составу и свойствам минералу муассанит. Является неорганическим бинарным соединением кремния с углеродом.
Представляет собой бесцветные кристаллы с бриллиантовым блеском в чистом виде, в форме технического продукта может приобретать различную окраску – зеленую, черную, желтую или серую (из-за примесей железа). Внешне напоминает уголь антрацит, но, в отличие от него, переливается всеми цветами радуги.
Природный минерал муассанит содержится в очень малых количествах в месторождениях кимберлита и корунда, а также в некоторых типах метеоритов. Впервые он был обнаружен в 1893 году А. Муассаном, в честь которого впоследствии был назван. Муассанит широко распространен в космосе в пылевых облаках вокруг звезд, богатых углеродом.
Получение карборундовых кристаллов
Из-за незначительного нахождения в природе материал чаще всего получают синтетическим путем. Впервые он был получен в виде порошка и начал производиться Э.Г. Ачесоном в промышленных масштабах также в 1893 году.
Э.Г. Ачесон запатентовал метод получения порошкообразного SiC и разработал электрическую графитовую печь для его синтезирования. Это был очень простой способ, подразумевающий спекание углерода с кремнеземом при температурах 1600-2500°C. Чистота полученного карборунда зависела от расстояния до графитового резистора в ТЭНе. Материал производила компания The Carborundum Company, и сначала он применялся только в качестве абразива.
Сейчас чистый карбид кремния (silicon carbide/karbid) также может быть синтезирован методом термического разложения полиметилсилана, при низких температурах в атмосфере инертного газа. Такой способ более удобен, так как из полимера перед запеканием в керамику можно сформировать изделие любой формы.
Свойства
Карборунд обладает уникальными характеристиками: он очень твердый и уступает по степени прочности только алмазу. Является инертным материалом – не реагирует с кислотами (кроме плавиковой, азотной и ортофосфорной) и другими веществами.
Может подвергаться нагреванию до 1500°С на открытом воздухе, не плавится при любом давлении, но способен сублимировать при t выше 1700°С. Такая термическая устойчивость обусловила другую сферу применения материала – он начал использоваться для изготовления подшипников и элементов оборудования для высокотемпературных печей.
Карбид кремния отличается также высокой теплопроводностью, плотностью электрического тока и электрическим напряжением, за счет чего вызывает значительный интерес в качестве полупроводника в электронике. Он обладает очень малым коэффициентом теплового расширения и не испытывает фазовых переходов, способных привести к разрушению монокристаллов.
Кроме того, за счет сильных химических связей материал имеет высокую радиационную и химическую стойкость, механическую прочность и твердость, а также термическую стабильность физических свойств. Благодаря уникальным характеристикам карборунд получил широкую сферу использования.
Применение
Карбид кремния используется в качестве абразивного материала для хонингования, шлифования, пескоструйной обработки и водоструйной резки. С его помощью производят детали металлургической и химической аппаратуры, функционирующей при высоких температурах.
Кроме того, материал применяется:
- при производстве бронежилетов;
- для изготовления сверхмощных светодиодов;
- в производстве дисковых тормозов высокого качества;
- для получения нагревательных приборов;
- в ювелирном деле;
- при создании зеркальных элементов в оптических системах;
- в ядерной энергетике;
- в качестве катализатора в процессах органического синтеза;
- в строительной области.
Карборунд относится к 4-му классу опасности по степени воздействия на организм человека. При работе с ним необходимо использовать защитные средства (очки, резиновые перчатки, маску).