Hårdhet och egenskaper hos rå kiselkarbid

Kiselkarbid (SiC) är ett av de hårdaste syntetiska materialen, näst efter diamant. På grund av sin extrema hårdhet, slitstyrka och värmebeständighet är SiC ett ovärderligt material för slipmedel och eldfasta applikationer.

Rå kiselkarbid kan produceras genom smältning av kvartssand, petroleumkoks och träflis i en motståndsugn, vilket ger antingen svart eller grön färgad SiC som biprodukt.

Hårdhet

Kiselkarbid är ett av de hårdaste materialen, näst efter diamant och kubisk bornitrid när det gäller hårdhet. Med en Mohs-hårdhetsgrad på 9,5 är kiselkarbid mycket svårt att skada eller slita ned och därför idealiskt för applikationer som kräver slitstyrka, t.ex. slipmedel eller eldfasta material. Dess utmärkta värmeledningsförmåga och minimala temperaturutvidgning gör den dessutom lämplig för flyg- och försvarsutrustning som måste tåla tuffa miljöer som höga temperaturer eller strålningsexponering.

Edward Goodrich Acheson upptäckte kiselkarbid av en slump under ett försök att skapa konstgjorda diamanter 1891. När han värmde upp en blandning av lera och pulveriserad koks i en järnskål, fick den glödande gröna nyansen honom att anta att han hade upptäckt en legering bestående av kisel och kol som liknar korundmineral som finns naturligt. Senare syntetiserade Henri Moissan syntetiska former genom att lösa upp kisel i hett kol.

Kiselkarbid har länge använts som industriellt råmaterial och finns idag i många olika applikationer, allt från sandpapper, slipskivor och skärverktyg till eldfast infodring i ugnar och slitstarka delar till pumpar och raketmotorer. Inom elektronik används det dessutom som basmaterial för halvledare eftersom det tål högre temperaturer, tryck och frekvenser än konventionella halvledare - och dessutom kan det dopas med kväve, fosfor, beryllium eller aluminium för att bilda olika typer av halvledare.

Termisk konduktivitet

Den råa kiselkarbidens extraordinära hårdhet - som bara överträffas av diamant och vissa syntetiska föreningar - gör den till ett oumbärligt material i många tillämpningar. Det är inte bara slitstyrkan som är hög, utan även värmeledningsförmågan, värmeutvidgningskoefficienten, halvledaregenskaperna och styrkan vid nedbrytning av elektriska fält gör det till en utmärkt kandidat. Beroende på råmaterialets sammansättning kan det dessutom få ett svart eller grönt utseende beroende på vilka produktionsprocesser som används.

Kiselkarbidsyntes kräver noggrant urval och testning av råmaterial för att kontrollera renhet och kvalitet på den färdiga produkten. När de väl har valts ut matas de in i en ugn där en karboniseringsreaktion äger rum vid höga temperaturer på 2000-2500 grader Celsius; före detta steg pulveriseras och siktas de också för att uppfylla produktionsprocessens krav när det gäller partikelstorlek.

Arbetstagare som hanterar kiselkarbid bör iaktta extrem försiktighet för att förhindra exponering av hud och ögon samt andningsbesvär. Produkten ska alltid förvaras och transporteras i slutna behållare i en sval miljö, med tillgång till nöddusch i händelse av exponering; dessutom ska arbetare tvätta eventuella förorenade arbetskläder innan de lämnar arbetet för att gå hem. I en idealisk värld skulle tekniska kontroller minska exponeringsnivåerna, men personlig skyddsutrustning kan fortfarande krävas beroende på arbetsuppgiften.

Motståndskraft mot kemiska reaktioner

Kiselkarbid är ett av de hårdaste material som finns och har en Mohs-hårdhetsgrad på 9-10 (näst efter diamant och vissa syntetiska föreningar). Dess värmebeständighet gör det dessutom lämpligt för eldfasta och slitstarka applikationer, medan dess elektriska ledningsförmåga möjliggör högre strömmar/spänningar/energiförlustöverföringar utan störningar i tjänsteleveransen.

Acheson-processen är den vanligaste metoden för att tillverka kiselkarbid. Råmaterial som kiselsand och petroleumkoks kombineras i en elektrisk motståndsugn innan en elektrisk ström passerar genom dem, vilket initierar en kemisk reaktion mellan kol från koks och kisel från sanden som bildar SiC. Denna reaktion tar vanligtvis flera dagar tills ett SiC-göt har bildats som sedan raffineras, pulveriseras, siktas, formas och slutligen tillverkas till en färdig produkt.

Vid varje steg i denna process är det viktigt att arbetstagarna vidtar åtgärder för att skydda sig mot exponering för kiselkarbiddamm. Vid arbete med kiselkarbiddamm ska arbetstagarna bära skyddsglasögon och kläder som hindrar dammet från att tränga in i ögonen eller komma i kontakt med huden; när damm kommer in på utsatta områden ska arbetstagarna omedelbart tvätta kläderna för att förhindra skavsår eller andra komplikationer. Dessutom måste arbetstagarna vara medvetna om eventuella risker med att ta med sig smutsiga arbetskläder hem; nödduschar som tillhandahålls av företaget vid arbetspassets slut bör också användas av arbetstagarna vid behov.

Elektrisk konduktivitet

Kiselkarbid är en halvmetall, vilket innebär att den befinner sig mellan metaller (som leder elektricitet) och isolatorer (som inte gör det). Vid höga temperaturer är kiselkarbid en utmärkt elektrisk ledare, men dess effektivitet beror på eventuella föroreningar i dess sammansättning.

Karborundum framställs genom en reaktion mellan kiselsand och kol i en elektrisk ugn med en kolelektrod som strömkälla, varvid en blandning av Si och C bildas som upphettas till ca 2.700 grader Celsius, där kristallbildningen börjar likna mineralkorundum och bildar kiselkarbidkristaller som kallas "karborundum". Idag används detta material bland annat i slipmedel, skärverktyg och eldfasta material samt i halvledarsubstrat för lysdioder.

Moderna metoder för att framställa slipmaterialet innebär att man blandar kiselsand med pulveriserad koks i en elektrisk motståndsugn av tegelstenar och leder en elektrisk ström genom kolelektroden för att kemiskt reagera med kiselsanden, vilket ger karbidmaterial.

Råmaterialet måste först slipas för att eliminera knivmärken som orsakats av skivning och för att minska ytjämnheten, följt av finslipning för att göra texturen enhetlig. Därefter tillsätts ett sintringshjälpmedel och trycksintras i en atmosfär som innehåller antingen argon eller kväve; de sintrade materialens elektriska ledningsförmåga beror på deras sammansättning och koncentration under detta steg i sintringsprocessen.