Karborundum-szemcsék és SiC-karborundum

A karborundum-szemcséket számos csiszolási, formázási és simítási feladatra lehet felhasználni. Ezenkívül gyakran beépítik azokat a mesterséges tűzálló kerámia szálakba, amelyeket széles körben használnak súrlódó alkatrészekben és elektronikus eszközökben.

A szilícium-karbidot először Edward Goodrich Acheson fedezte fel, amikor agyagon átvezetett elektromos áram segítségével gyémántokat próbált előállítani. Mivel a természetben kizárólag a ritka moissanit drágakő formájában fordul elő, a szilícium-karbid előállításának nagy része szintetikus úton történik.

Nagy szilárdságú

A karborundum rendkívül kemény és vegyi anyagokkal szemben ellenálló anyag (9-es a Mohs-skálán). Kiváló vegyi ellenállással rendelkezik, és magas hőmérsékleten is megőrzi szilárdságát, ami felbecsülhetetlen értékű nyersanyaggá teszi a kerámiák és az ipari termékek – például kemencebélés, tűzálló tégla és a gőzreformálási folyamatokhoz használt kompozit csövek – gyártásához. Ezenkívül a karborundum csiszolóanyagként szolgál csiszolókorongokban, “csiszolópapír” és cipőtalpak gyártásában; rakétaszórófejekben is felhasználják.

Edward Goodrich Acheson véletlenül fedezte fel a szilícium-karbidot, amikor 1891-ben mesterséges gyémántok előállítására tett kísérletet: egy agyagkeveréken keresztül szénrudat vezetett át, hogy áramot vezessen rajta keresztül. Ehelyett azonban nem gyémánt, hanem karborund kristályosodott ki: ez egy szilíciumból és alumíniumból álló ötvözet, amelyet karborund néven ismernek, és amely széles körben elterjedt kerámiaanyagként – először Moissan állította elő, de Acheson vezette be a gyártását.

A karborundum mind kristályos formában – amelyet általában „fekete pornak” neveznek –, mind pedig zöld, szemcsés formában – az úgynevezett „zöld karborundum” néven – előfordul. Mindkét változatot széles körben használják számos csiszolóanyag összetevőjeként, valamint az alagútkemencék bélelésére szolgáló tűzálló anyagok részeként; üveg- és gránitfelületek homokfúvásához; biszkvitáru felületek polírozásához; üveglapok és biszkvitáru felületek homokfúvásához, valamint számos más csiszolóanyag összetevőjeként; emellett fontos összetevője a tűzálló anyagoknak, amelyeket széles körben használnak a mindennapi használatú porcelán, a művészi kerámia, valamint a kisfeszültségű elektromos porcelán gyártásában.

Alacsony sűrűség

A Sic carborundum, amelyet általában szilícium-karbidnak (SiC) neveznek, a szilícium-karbidok kerámiaanyagként való alkalmazásának egyik legfontosabb területe. Az SiC képes ellenállni a szélsőséges hőmérsékleteknek anélkül, hogy nyomás hatására megrepedne, miközben kémiailag inert és rendkívül tartós marad.

A SiC egy polimorf anyag, amelynek többféle kristályszerkezete is létezik, és mindegyikben a szilícium- és szénatomok között tetraéderes koordináció figyelhető meg; ezek közül a legelterjedtebb a köbös cinkblende (b-SiC). Mind ezt, mind a hatszögletű wurtzite szerkezetet kereskedelmi forgalomban használják az anyag különböző formáiként.

A karborundumot az amerikai feltaláló, Edward Goodrich Acheson fedezte fel 1891-ben, amikor megpróbálta mesterségesen előállítani a gyémántot. Amikor elektromos áramot vezetett át agyagon és porított kokszon, szénrudat használva elektródaként, kemény, zöld kristályok keletkeztek. Ezek egyáltalán nem gyémántok voltak, hanem egy ismeretlen, szilíciumból és szénből álló vegyület, amelyet Acheson végül karborundumnak (kiejtése: karbo-luh-duhm) nevezett el.

A 19. század végén az alumínium-oxidot ipari méretekben széles körben kezdték használni csiszolóanyagként. Az utóbbi időben azonban kémiai összetételét szintetizálták, és tartós kerámia termékekbe építették be.

Az RBSC kompozitok úgy készülnek, hogy a magas hőmérsékleten zsugorított, tömörített SiC- és szabad szén-keverékekbe olvadt anyagot juttatnak be; ehhez hagyományosan olyan szerves gyantákat használnak, amelyek később pirolízisnek vannak kitéve – ez egy környezetkárosító folyamat, amely jelentős mennyiségű maradék szilíciumot eredményez. Az Elkem RBSC-termékei alacsony maradékot eredményező, tetraéderes b-SiC technológiát alkalmaznak, amely kiküszöböli a pirolízis szükségességét, miközben egyúttal minimalizálja a maradék szilíciumtartalmat.

Kémiailag inert

A szilícium-karbid (SiC) egy lenyűgöző kerámiaanyag, amely kiemelkedő tulajdonságokkal rendelkezik: könnyűsége mellett kemény, kémiailag inert és korrózióálló – ezek a tulajdonságok tették népszerűvé olyan alkalmazásokban, ahol nagy tartósságra van szükség, például csiszolóanyagok vagy fékbetétek esetében. Az SiC hőkezelési, fűtőelemek és szerkezeti anyagok területén is felhasználható.

Edward Acheson 1891-ben állította elő először a karborundumot, amikor mesterséges gyémántok előállítására tett kísérletet; agyag és porított szénkoksz keverékét egy vasedényben hevíti fel egy közönséges szénívlámpa elektródájával, és így kékes-zöldes kristályok keletkeztek, amelyeket a korund ásványhoz való hasonlósága miatt karborundumnak nevezett el.

A SiC kiváló hőstabilitásáról és hővezető képességéről ismert, ezért kiválóan alkalmas magas hőmérsékletű környezetekben való alkalmazásra. Ezen felül nem reaktív fém, amely a lúgok és savak kivételével a legtöbb vegyi anyaggal szemben inert; a Lely-módszer alkalmazásával akár nagy méretű egykristályok is előállíthatók belőle, amelyekből a közismert moissanit nevű drágaköveket állítják elő.

A SiC-ből gyakran állítanak elő mesterséges tűzálló kerámiaszálakat is, amelyeket súrlódó alkatrészekben és elektronikus eszközökben használnak. Bár nem mérgező, kimutatták, hogy a szilícium-dioxid-por belélegzése kísérleti állatoknál megváltoztatja a tüdőtuberkulózis lefolyását, és kiterjedt fibrózishoz, valamint a betegség előrehaladásához vezet.

Korrózióálló

A SIC-karborundum rendkívül korrózióállónak bizonyult zord kémiai környezetekben, ezért különösen alkalmas olyan alkatrészekhez, amelyek gyakori kémiai mosásnak vagy mechanikai megmunkálásnak vannak kitéve. Ez a tulajdonság teszi a SIC-karborundumot ideális választássá, ha ilyen zord környezeteknek van kitéve.

A korrózió egy összetett folyamat, amelyben az anyagok és környezetük között számos kölcsönhatás játszódik le; a korróziós viselkedés részletes modellezéséhez pedig ismerni kell az egyes kölcsönhatásokat, például a kémiai reakciókat, a tömegáramlási mechanizmusokat, valamint a felületi és mikroszerkezeti morfológiákat – sajnos ezek az információk az ipari gyártású anyagok esetében nem mindig állnak könnyen rendelkezésre.

Edward G. Acheson volt az első, aki 1891-ben sikeresen előállította a szilícium-karbidot, amikor egy vasedényben agyag és porított koksz keverékét hevítette fel, áramforrásként hagyományos szénelektródákat használva. Acheson az így keletkezett élénkzöld kristályokat “Carborundum”-nak nevezte el, mivel megjelenésük hasonlított a természetben előforduló korund természetes ásványi formájához. Mivel a szilícium-karbid kemény és tartós anyag, Acheson gyorsan ipari szabványossá tette csiszolóanyagként.

A rendkívüli keménységnek köszönhetően ez az anyag kiváló választás olyan szivattyúkhoz is, amelyek koptató hatású folyadékokat – például nyersolajat, vizet és kémiailag kezelt vegyi anyagokat – szállítanak. Ezenkívül az erőművekben is alkalmazzák különböző folyadékok magas hőmérsékleten és nyomáson történő feldolgozására, kihasználva hőstabilitását, kopásállóságát és korrózióállóságát.