A szilícium-karbid gyártásának módszerei

A szilícium-karbidot kiváló hő- és korrózióállósága miatt számos területen alkalmazzák. Ebből az anyagból különféle termékek készíthetők, például csiszolóanyagok, bevonatos csiszolóanyagok, csiszolókorongok, csiszolószerszámok, csiszolófólia-szigetelés, sőt, kohászati és tűzálló anyagok is.

A szilícium-karbidot leggyakrabban az Acheson-eljárással állítják elő. Ennek során szilícium-dioxid-tartalmú homok és szén keverékét kokszban magas hőmérsékletre hevítik, amíg olyan kémiai reakciók nem lépnek fel, amelyek során tiszta szilícium-karbid-kristályok keletkeznek.

Az Acheson-folyamat

Az Acheson-eljárást széles körben alkalmazzák a szilícium-karbid kereskedelmi előállítására. Ez a nagy energiájú folyamat magában foglalja a szilícium-dioxid és a kőolajkoksz keverését, majd a keverék magas hőmérsékletű hevítését, mielőtt azt feldolgozás céljából egy elektromos kemencébe juttatják. E komplex eljárás jobb megértése érdekében egy anyagátadási modellt hoztak létre, és az eredmények azt mutatták, hogy a szilícium-karbid képződését elsősorban szilárd-gáz reakciók szabályozzák, és nem a korábban feltételezett folyadékfázisú reakciók.

Akárcsak egy szokásos Acheson-kemence üzemeltetése során, a keveréket egy kemencébe töltik, egy olyan szén- vagy grafit ellenállással (14) együtt, amely a korábbi üzemelésekből visszanyert kokszból és tűzálló homokból áll, és Acheson-ellenállásként (14) szolgál. Ezen ellenállásra elektromos áramot vezetnek, hogy a reakciótömegben magas feszültséget hozzanak létre, miközben a hőmérsékletet a kemence oldalain elhelyezett grafitlapok mentén és azok közelében folyamatosan figyelik.

A szilícium-karbid (SiC) előállítása – amely energiaigényes, sőt rendkívül energiaigényes folyamat – a közelmúltban két, erre épülő eljárás révén forradalmi változáson ment keresztül: az Acheson- és a Lely-eljáráson. Míg az Acheson-eljárás szublimációval durva szemcsés SiC-kristályokat állít elő, addig a Lely-eljárás finomabb kristályos anyagot szintetizál.

Lely-eljárás

A Lely-eljárás a szilícium-karbid gyártásában alkalmazott alternatív módszer, amely során egy zárt vákuumkörnyezetben egy kémiai keveréket kevernek össze, mielőtt azt a hordozóra felvinnék. Ez az eljárás hatalmas mennyiségű energiát, berendezést és szakértelmet igényel – az időráfordításról nem is beszélve –, és csak rendkívüli pontossággal hajtható végre.

A gyártók a módosított Lely-eljárást alkalmazzák nagy méretű SiC-monokristályok előállítására az elektronikai gyártáshoz, melyeket keményített felületre szerelhető alkatrészek (HMD) alapanyagaként használnak. Az ilyen anyagoknak keménynek, tartósnak és elektromosan vezetőnek kell lenniük – ezeket a tulajdonságokat a SiC kristályszerkezetének köszönhetően képes teljesíteni. Ezen felül a SiC olyan, máshol nem található egyedülálló tulajdonságokkal is rendelkezik, mint például a páratlan keménysége, valamint az alkáliakkal és savakkal szembeni kémiai ellenállása.

A Lely-módszer egyik gyakori módosítása egy indukciós tekercsekkel felszerelt grafit tégely használatát jelenti a fűtéshez. A felmelegítés után ezt az edényt vékony szilícium-karbid réteggel vonják be, hogy megakadályozzák a szennyeződések kijutását a szublimációs térből; az így kapott kristályokból öntvényeket lehet készíteni, amelyeket ezután pontosan osztályozni lehet, és különböző alkalmazásokhoz tovább lehet feldolgozni.

Az 1. példa egy olyan eljárást ismertet, amelynek során a tuskókat nitrogéntartalmú gázáramoknak teszik ki annak érdekében, hogy magas n-vezetőképességű termékeket állítsanak elő, amelyek lehetővé teszik olyan alkatrészek gyártását, amelyek szélsőséges körülmények között is jól teljesítenek, például a sugárhajtóművekben és a rakétakifúvókban előírtaknak megfelelően.

Reakciós kötés

A reakciós kötés a szilícium-karbid kerámiák előállításának egyik legrégebbi módszere. Ez a technika abból áll, hogy durva szemcsés szilícium-karbidot, agyagot, lágyítószereket és egyéb anyagokat kevernek össze formázható pasztává, amelyet ezután felmelegítenek, hogy az összetevők összeolvadjanak, majd lehűtéssel szilárd formába keményedjenek. A reakciós kötés a szilícium-karbid előállításának egyik legkorábbi módszere volt.

Ez a folyamat elősegíti a reakcióval kötött szilícium-dioxid előállítását, amely kiváló kopásállósággal és nagyobb törésszilárdsággal rendelkezik, mint a szilícium-karbid egyéb formái. Ezenkívül hővezető képessége és alacsony hőtágulási tulajdonságai miatt alkalmas olyan elektromos alkatrészekben való felhasználásra, mint a teljesítménytranzisztorok és a diódák.

A tudósok kifejlesztettek egy új feldolgozási módszert, amely alacsonyabb hőmérsékleten történő kötéssel javítja a reakcióval kötött szilícium-dioxid teljesítményét. Ez csökkenti a szabad szilícium mennyiségét, amely eróziót és kopást okozhat az anyagokban, és növelheti a kopási sebességet.

A reakcióval kötött szilícium-karbid (RBSC) hő-, kopás- és korrózióállósága miatt számos területen alkalmazható. Kiváló hőmérsékleti sokkállóságának köszönhetően széles körben használják kemenceberendezésekben; emellett magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz, például tömítésekhez vagy lapátokhoz kerámia alkatrészek készítésére is alkalmas; továbbá magas olvadáspontja miatt ideális tégelyeket használó fúziós kísérletekhez.

Kerámia

A szilárd fázisban szinterezett szilícium-karbid kerámia a legkeményebb és legtartósabb finomkerámiák közé tartozik; 1400 °C-ig megőrzi szilárdságát anélkül, hogy jelentősen veszítene szilárdságából, vagy jelentősen tágulna vagy összehúzódna – így ideális hőálló alkalmazásokhoz, például égőfúvókákhoz, kémiai feldolgozó berendezésekben használt sugár- és lángcsövekhez, valamint általános ipari gépalkatrészekhez. Ezen felül korrózió-, kopás- és kopásállósága, alacsony tágulási és félvezető tulajdonságai miatt rendkívül ellenálló, így alkalmas tűzálló felhasználásokra, például égőfúvókákhoz, kémiai feldolgozó berendezésekben használt sugárcsövekhez, valamint a gépiparban széles körben alkalmazott általános ipari gépalkatrészekhez.

A SiC széles körben ismert nagy keménységéről és kémiai stabilitásáról, ami kiváló alapanyagként szolgál a csiszolóanyagok gyártásához. A SiC alapanyagként szolgál a bevonatos és bevonat nélküli csiszolóanyagokhoz, amelyeket üveg, kerámia, kő, öntöttvas, valamint alumíniumhoz hasonló színesfémek megmunkálásához használnak. A tűzálló anyagok gyártásában is használják a SiC-t, ideértve a kerámia termékek égetésére szolgáló kemencékben használt hővédő lemezeket, a szilícium-dioxid-bevonatú kemencebéléseket, valamint az alumínium-elektrolízis cellákban használt tégelyeket.

A reakciós kötés a szilícium-karbid kerámiák előállításának egy másik módszere, amelyet olyan iparágakban alkalmaznak, mint a csiszolóanyag-gyártás, a kohászat és a tűzálló anyagok gyártása. A durva homok, a szilícium-por és a lágyítók keverékét elektromos ellenállásos kemencében hevítik, amíg a kokszból származó szén a szilícium-dioxiddal reagálva szilícium-karbidot és szén-monoxid gázt képez – ez lehetővé teszi a kívánt formák kialakítását vagy a porrá préselést a további felhasználáshoz.

Mivel nagy sűrűséggel és nagy nyomószilárdsággal rendelkezik, a polikarbonátból készült ballisztikus védelem súlyához viszonyítva nagyobb ballisztikus ellenállást biztosít, mint az acélból vagy alumíniumból készült megoldások.