Mitä on karborundum?

Karborundum, eli tähtienvälinen pöly, tuli ensimmäisen kerran tunnetuksi, kun sitä löydettiin Arizonassa avaruudesta pudonneesta meteoriitista. Edward G. Acheson oli teollisen tuotannon edelläkävijä ja aloitti tuotannon siellä vuonna 1891.

Yrittäessään valmistaa keinotekoisia timantteja sulattamalla korundia sähköuuneissa hän huomasi, että syntynyt yhdiste oli kovuudeltaan ja hankaavuudeltaan lähes timantin veroinen.

Se on synteettinen mineraali

Karborundumi on keinotekoinen mineraali, joka koostuu piistä ja hiilestä. Tätä keinotekoista mineraalia käytetään yleisesti hioma-aineena ja teränsuojana sahoissa, veitsissä ja muissa työkaluissa, mutta sitä käytetään myös karborundum-painotekniikassa; tässä kolografia-painotekniikassa karborundum-hiukkasia levitetään suoraan alumiinilevyille ennen painovärin levittämistä. Carborundumin kestävyys tekee siitä myös ihanteellisen valinnan suuritehoisiin elektroniikkalaitteisiin, sillä se kestää hyvin lämpöä ja korroosiota – mikä tekee tästä materiaalista sopivan jopa paineen alla!

Edward Goodrich Acheson oli karborundumin laajamittaisen tuotannon edelläkävijä vuonna 1891, kun hän yritti valmistaa keinotekoisia timantteja käyttämällä sähköuunien lämpöä luonnollisen alumiinioksidin (korundin) ja hiilen yhdistämiseen seokseksi, jota kutsuttiin nimellä “karborundum” ja joka myöhemmin tunnettiin nimellä synteettinen piikarbidi eli SiC.

SiC:llä on monia käyttötarkoituksia, aina hiomalaikkojen ja leikkuutyökalujen valmistuksesta puolijohde-elektroniikkalaitteisiin, mikä johtuu sen suuresta kaistavälistä sekä lämmön- ja korroosionkestävyydestä. Myös keraamisten tuotteiden valmistajat käyttävät usein SiC:tä, ja jotkut käyttävät sitä jopa raudan tuotannossa masuuneissa. Vaikka luonnossa esiintyvä moissanite on harvinainen jalokivimateriaali, lähes kaikki maailmanlaajuisesti myytävä piikarbidi on valmistettua.

Se on hankaava aine

Karborundumi on kova, kiteinen mineraali, joka koostuu piistä ja hiilestä ja jota voidaan käyttää hioma-aineena sen kestävyyden ansiosta. Lisäksi se on suhteellisen kevyt ja sen lämpölaajenemiskerroin on pieni, minkä ansiosta sitä voidaan käyttää monissa sovelluksissa; näissä muodoissa se tunnetaan nimellä piikarbidi tai SiC.

Karborundia valmistetaan sulattamalla korkealaatuista kvartsihiekkaa ja öljykoksia sähköuunissa korkeissa lämpötiloissa, jolloin syntyy sekä hiukkasia että kuituja, jotka muodostavat hioma-aineen. Valmistuksen jälkeen nämä hiukkaset voidaan jauhaa jauheeksi, jota käytetään teollisten hiomalaikkojen, hiekkapaperin tai muiden tuotteiden valmistuksessa; lisäksi sitä voidaan myydä hioma-aineena litografiakivien käsittelyyn.

Pennsylvanialainen Edward Acheson keksi ensimmäiset karborundihioma-aineet vuonna 1890, kun hän oli suorittanut laajoja kokeita, joissa hän yritti tuottaa timantteja kuumentamalla kemiallista ureaa voimakkaasti; sen sijaan hän havaitsi, että prosessissa syntyi piikarbidia eli “karborundia”.”

1920-luvulla Carborundum aloitti uusien, komposiitti- ja keraamisteknologiaan perustuvien tuotteiden kehittämisen ja muutti Niagara Fallsiin, jossa vesivoimaa oli saatavilla runsaasti ja edullisesti. Buffalo Avenuen varrella sijaitsevaan suureen tehtaaseen kuului rakennuksia sidottujen hioma-aineiden valmistusta (rakennus 31) ja muovausprosesseja varten. 1950-luvulle mennessä Carborundum laajensi toimintaansa kansainvälisesti yritysostojen kautta, ennen kuin Saint-Gobain lopulta osti sen. Saint-Gobain jatkaa tuotantoa edelleen Carborundum-nimellä.

Se on puolijohde

Puolijohde on kemiallinen yhdiste, joka johtaa sähköä tietyissä olosuhteissa ja estää sen kulun toisissa olosuhteissa, aivan kuten kuparilangat johtavat virtaa, kun taas puu estää sen kulun. Puolijohteet voidaan suunnitella johtamaan tai estämään virtaa suunnittelun mukaisesti, minkä vuoksi ne ovat korvaamattomia komponentteja monissa elektroniikkalaitteissa, kuten diodeissa ja transistoreissa.

Piikarbidi on yksi yleisimmin käytetyistä puolijohdemateriaaleista. Se koostuu jaksollisen järjestelmän 14. ryhmän alkuaineista, jotka on yhdistetty toisiinsa kiteisessä muodossa; myöhemmin nämä kiteet voidaan leikata ohuiksi kiekkoiksi käytettäväksi mikroelektroniikassa ja aurinkosähkö sovelluksissa. Muita piikarbidin muotoja voivat olla kolmikomponenttiset yhdisteet, oksidit tai seokset.

Jotta voitaisiin ymmärtää puolijohteiden toimintaa, on ymmärrettävä, mitä kaistaväli on. Laitefysiikat tutkivat kahta energiakaistaa: johtavuuskaistaa ja valenssikaistaa. Laitefysiikat kutsuvat tätä ilmiötä kaistahyppäykseksi; jäähdytyksen tapahtuessa elektronit siirtyvät valenssikaistalta johtavuuskaistalle energia-aukon, jota kutsutaan kaistaväliksi, kautta. Kun laite jäähtyy edelleen, elektronit hyppäävät tämän kaistavälin yli – ilmiötä kutsutaan kaistahyppäykseksi.

Edward Goodrich Achesonia pidetään yleisesti piikarbidin keksijänä puolijohdemateriaalina vuonna 1891; hän aloitti modernin metallurgian lämmittämällä savea, jauhettua koksia ja hiiltä sähköuunissa – tämä merkitsi piikarbidin ensimmäistä teollisen mittakaavan tuotantoa, joka oli koskaan ollut mahdollista – hänen yrityksensä tuotti vuoteen 1910 mennessä yli 10 miljoonaa puntaa vuodessa; materiaalia käytettiin sekä hioma-aineena että painatuskäyttöön.

Se on voiteluaine

Voiteluaineet ovat aineita, joiden tarkoituksena on vähentää kahden pinnan, kuten metallien, välistä kitkaa. Voiteluaineita on nestemäisiä, kiinteitä tai kaasumaisia. Voiteluaineet suojaavat pintoja myös korroosiolta tai pitävät ne puhtaina; nämä ovat koneiden sujuvan toiminnan kannalta välttämättömiä tekijöitä. Markkinoilla on monenlaisia voiteluaineita, kuten öljyjä ja rasvoja, kun taas toiset valmistetaan luonnollisista ainesosista; karborundumi on yksi tällainen luonnollinen aine, jolla on monia käyttökohteita erilaisissa tilanteissa.

Edward Goodrich Acheson teki karborundumin löydön yrittäessään valmistaa keinotekoisia timantteja vuonna 1891. Kun hän käytti tavallista hiilikaarilamppua lämmittämään saven (alumiinisilikaatin) ja jauhetun koksin seosta, muodostui sinisiä kiteitä, jotka osoittautuivat uudeksi hiilen ja alumiinin yhdisteeksi, jonka Acheson nimesi karborundumiksi.

Tämä materiaali on kovaa ja kestävää, minkä ansiosta se sopii käytettäväksi esimerkiksi hiomalaikoissa ja leikkuutyökaluissa, hiekkapaperissa, hiomapaperissa, rullalautojen tartuntateipissä jne.

Carborundumia voidaan käyttää myös osana grafiikan tekniikkaa, jota kutsutaan carborundum-kollagrafiaksi. Kyseessä on syväpainotekniikka, jossa levitetään carborundum-hiukkasia painolaattoihin, jolloin tuloksena syntyy painokuvia, joissa on eloisat värit ja syvät sävyt. Saatavana sekä jauheena että maalina.