Vad är kiselkarbid?

Kiselkarbid, vanligen kallat SiC, är ett extremt hårt, mörkbrunt till svart syntetiskt kristallint mineral som skapades 1891 av Edward Goodrich Acheson för användning som slipmedel.

Ren kiselkarbid är färglös och kan dopas av n-typ med kväve eller fosfor för halvledartillämpningar och av p-typ med beryllium, bor eller aluminium för andra användningsområden.

Egenskaper

SiC, vanligen kallat kiselkarbid, är ett extremt hårt material (näst efter diamant och vissa syntetiska föreningar) och mycket motståndskraftigt mot värme. Beroende på vilka råvaror som används vid tillverkningen kan SiC se svart eller grönt ut beroende på hur kraftigt dopat med bor, kväve eller aluminium det har varit. Kiselkarbid fungerar också som ett halvledarmaterial och dopning med sådana element kan öka den metalliska ledningsförmågan ytterligare.

Kiselkarbid skiljer sig från kiselnitrid genom att den bildas av tätt bundna kisel- och kolatomer som är arrangerade som tetraeder i kristallstrukturen, vilket ger materialet en överlägsen kovalent styrka när det utsätts för tryck.

Kiselkarbid har utmärkt slitstyrka och korrosionsbeständighet och fungerar tillförlitligt vid temperaturer på 1600degC utan att förlora strukturell integritet, samtidigt som den har låg värmeutvidgning.

Vid montering av kiselkarbid krävs tillsats av ett sintringstillsatsmedel för att underlätta förtätningen. Dessa består vanligtvis av 0,5% kol och 0,5% bor, som reagerar för att förhindra bildandet av SiO2 på ytan och modifierar korngränsenergin för att framkalla porkrympning. Kiselkarbid har också utmärkta fysiska egenskaper: Mohs hårdhetsskala är 9,5; den kan lätt formas till nästan vilken önskad form som helst genom formnings- eller gjutningsprocesser.

Tillämpningar

Kiselkarbid (SiC) är ett oorganiskt material som består av kisel och kol och som har blivit en av de mest mångsidiga eldfasta keramerna som används industriellt, från sandpapper och slipskivor till ugnsfoder, slitstarka delar för pumpar, raketmotorer samt halvledarsubstrat. På grund av sin hårda, syntetiskt framställda natur och i sig imponerande mekaniska egenskaper är kiselkarbid en attraktiv kandidat för användning som halvledarsubstratmaterial.

Slipmedel av karborundum tillverkas vanligtvis som pulver eller kristaller som kan malas till olika slipprodukter, medan användningen av dem har kopplats till diffus interstitiell lungfibros och lungcancer bland arbetare som exponeras för stora mängder.

Edward Goodrich Acheson anses allmänt vara den som upptäckte moissaniten. När han försökte tillverka diamanter av lera upptäckte Acheson en hård, blå-svart kristall som kallas karborundum när han värmde upp den med koks och värmde upp den igen med värme och ånga - den första upptäckten. Acheson insåg dess industriella potential och grundade 1891 ett slipmedelsföretag för att tillverka den mer kommersiellt. Naturlig moissanit är extremt sällsynt; det mesta produceras idag via syntetiska metoder och dopas med kväve eller fosfor för användning som halvledare av n-typ eller med beryllium-, boraluminium- eller galliumdopning för att bilda halvledare av p-typ.

Tillverkning

Kiselkarbid är ett slipande material med enastående termisk stabilitet som gör det lämpligt för övergångstemperaturer som är mycket högre än kisel (dvs. över 200 °C). Dessutom är detta starka men slitstarka material utmärkt för slipverktyg som används i krävande industriella miljöer.

Kiselkarbid, ett högkristallint material, produceras genom sintring av råmaterialgranulat med olika sintringshjälpmedel som 0,5% bor för att öka kristallstrukturen och öka porositeten - två viktiga krav för effektiv sintring. Sintringshjälpmedel förbättrar också densifieringen och underlättar släta, finkorniga strukturer - till exempel genom att ge materialet tillräcklig porositet för att sintringsprocessen ska kunna ske lättare.

Tillverkarna kombinerar lika stora mängder kiseldioxid (i form av kvartssand) och kol, vanligtvis koks, innan de värmer upp blandningen i en grafitugn till 2.500 grader Celsius för att åstadkomma en kemisk reaktion som producerar kiselkarbid.

När kiselkarbidgöt har svalnat sorterar och klassificerar skickliga arbetare dem noggrant efter storlek i smala fraktioner som sedan kan malas om det behövs för specifika applikationer. Denna process kan vara energiintensiv. Ibland kan kiselkarbid också behandlas ytterligare kemiskt för att uppnå specifika egenskaper för specifika användningsområden. Arbetare som utsätts för kiselkarbidtillverkning kan utveckla andningsbesvär som diffus interstitiell lungfibros eller karborundumlunga.

Säkerhet

Kiselkarbidföreningar är idealiska för tillverkning av skottsäkert pansar på grund av deras hårdhet. Genom sintring binds korn av kiselkarbid samman till hårda keramiska block som motstår penetration av kulor och andra skadliga material, vilket ger skydd mot kulpenetration och andra former av penetration. Dessutom gör deras slagtålighet, korrosionsbeständighet och motståndskraft mot termisk chock att de kan användas i indirekta uppvärmningsapplikationer för höga temperaturer, t.ex. för infodring av stora masugnar.

Kiselkarbid förekommer naturligt som mineralet moissanit och massproducerades för första gången som slipmedel 1893. Idag består den mesta kommersiella försäljningen av denna förening av syntetiska pulver eller enstaka kristaller som framställts syntetiskt för kommersiell försäljning. Kiselkarbid har sedan dess använts för olika strukturella materialapplikationer, inklusive bilbromsar och kopplingar samt keramiska plattor för skottsäkra västar; dessutom kan moissanit också skäras till moissanit ädelstenar, även om de flesta som för närvarande säljs är syntetiska sorter.

Arbetare som arbetar med att framställa kiselkarbid eller använder slipmedel av karborundum kan drabbas av diffus interstitiell lungfibros, vilket leder till förtjockning av lungvävnaden och minskad syretillförsel - vilket i slutändan leder till döden. Korrekt ventilation och skyddsutrustning kan minska denna risk. Genom att tillsätta 3 viktprocent lantan minskar dessutom kraven på aktiveringsenergi trefaldigt samtidigt som partikelagglomerationen minskar.