Tillverkning av kiselkarbid

Washington Mills erbjuder en komplicerad process för tillverkning av kiselkarbid. CARBOREX (r) SiC finns inom branscher som slipmedel, metallgjutning, metallurgi och eldfasta material - och erbjuder flera olika kemier och storlekar som passar för många olika applikationer.

Edward Acheson skapade först sin Acheson-process 1893 och den är fortfarande en av de främsta metoderna för att producera SiC. I processen kombineras petroleumkoks med kristallin kiseldioxid med hög renhet i en 30 kA elektrisk motståndsugn med öppen atmosfär för att bilda SiC; under processen släpps giftiga SOx, NOx och tungmetaller ut i atmosfären.

Råvaror

Tillverkningsprocessen för kiselkarbid innebär att högkvalitativ kvartssand blandas med petroleumkoks som råmaterial. Efter malning och syratvätt siktas materialet magnetiskt eller fysiskt för att få fram produkter med olika partikelstorlekar. Kiselkarbider används ofta som råmaterial i produktionsprocesser för funktionell keramik, avancerade eldfasta material och slipmedel samt som metallurgiska råmaterial. Vanligast är att kiselkarbid av sorterna svart kiselkarbid (a-SiC) och grön kiselkarbid (b-SiC) används. Svart kiselkarbid har större seghet än grön kiselkarbid och används vanligen för slipning av material med låg draghållfasthet, t.ex. glas, keramik, sten och eldfasta material. Dessutom används denna kvalitet för honing av cylinderfoder och precisionsslipning av skärverktyg av höghastighetsstål.

A-SiC är ett extremt rent material med hög hårdhet och god värmeledningsförmåga. Med sitt breda bandgap är A-SiC ett utmärkt materialval för halvledartillämpningar; dessutom gör dess värmeledningsförmåga att det kan öka elkraftsutnyttjandegraden och energieffektiviteten för nya energibilar och högteknologisk utrustning.

Kiselkarbidsyntesen är en komplex process, där kvaliteten bestäms av både den kemiska sammansättningen och kristallstrukturen. Det har utvecklats olika tekniker för att producera SiC; en av de mest populära är Acheson-processen. Denna kontinuerliga förseglade metod äger rum i en elektrisk motståndsugn som kallas en Acheson-grafitugn; men det innebär att kisel- och kolatomer placeras tillsammans i en sluten högtemperaturhålighet som kräver skicklig manipulation av skickliga hantverkare.

Acheson-processen

Achesonprocessen är en traditionell metod för att framställa kiselkarbid. Den innebär högtemperaturreaktioner mellan kiseldioxid och kol som ger ett fint pulver bestående av kvartssand (kiseldioxid) och petroleumkoks som sedan pressas till ett göt som senare kan skäras och malas för att uppfylla specifika industriella tillämpningar.

En Acheson-ugn har en grafitkärna som fungerar både som värmekälla och som kärnbildningsplats för SiC-kristalltillväxt. Runt denna kärna ligger en reaktionsblandning som består av kiseldioxid i form av sand eller kvarts kombinerat med kol från tidigare produktionskörningar (vanligtvis petroleumkoks från tidigare körningar), ofta blandat med sågspån för kontrolländamål och tillsatser för att säkerställa renhet och gynnsamma reaktionsförhållanden.

De första experimenten som Acheson genomförde visade sig vara fruktlösa, men han fortsatte med olika förhållanden och temperaturer tills han slutligen patenterade sitt arbete 1891 och gav materialet dess varumärkesnamn Carborundum, som kommer från latin för smälta aluminiumoxidmineraler som korund.

Tillverkarna har försökt öka utbytet av grovkristallina kiselkarbidprodukter genom att öka ugnsstorleken, effekten hos det elektriska motståndet och ändra andra processvariabler, men dessa modifieringar har inte lyckats förbättra produktionsprocessens effektivitet i någon större utsträckning. Dessutom måste all oreagerad eldsand som återstår efter varje produktionskörning återvinnas, vilket kräver betydande energiförbrukning och arbetskraftsresurser för att rensa bort och förbereda för efterföljande cykler.

Isostatisk kallpressning

Kall isostatisk pressning är en metod för pulverkompaktering som används för att komprimera keramik, grafit och metaller. Tekniken innebär att materialet innesluts i en elastomerform fylld med flytande medium; trycket appliceras sedan jämnt över formens alla sidor för komprimering utan någon distorsion, vilket ger isotropiska kroppar med hög densitet utan att smörjmedel behövs.

När den resulterande saggarkroppen är färdig kan den sedan sintras vid höga temperaturer för att uppnå önskade fysikaliska egenskaper. Noggrann kontroll av sintringstemperaturen är avgörande för att få en acceptabel förtätning och mikrostruktur; dessutom måste man undvika "elefantfötter", områden med större diameter än omgivande delar som måste elimineras, när man producerar tillfredsställande sintrade prover.

CIP används vanligtvis för att tillverka keramik, men dess användning för metallbearbetning är fortfarande mindre välkänd. Förbättringar inom pulvermetallurgi och sintring gör CIP mer genomförbart för vissa tillämpningar - t.ex. kan volframkarbid nu tillverkas med CIP och dess egenskaper förbättras avsevärt tack vare denna metod. Den är också användbar för att producera komplexa delar som inte kan tillverkas med traditionella gröna bearbetningsmetoder; dessa delar måste dock genomgå omfattande inspektion efter bearbetning för att uppfylla kvalitetsstandarderna.

Värmebehandling

Kiselkarbid (SiC) är ett bredbandigt halvledarmaterial som är känt för sina överlägsna spännings- och strömbrytaregenskaper samt strålningsresistivitet och värmeledningsförmåga. SiC tillverkas med olika metoder, t.ex. CCS (Confinement Controlled Sublimation), ångdeposition och jonstråleetsning, och kan även dopas med kväve- eller fosfordopningsmedel av n-typ och beryllium-, bor- eller aluminiumdopningsmedel av p-typ för metallisk ledningsförmåga - dessutom finns det i olika storlekar och former för att uppfylla specifika applikationsbehov.

SiC:s alfaform (a-SiC) är den mest frekvent förekommande polymorfen och har en hexagonal kristallstruktur som liknar Wurtzite. Betamodifieringen (b-SiC) kräver däremot mer ansträngning för att bildas; den har en zinkblende-kristallstruktur som gör bildningen svårare. A-SiC-polymorfer tenderar att bildas lättare vid högre temperaturer, men b-SiC-polymorfer har överlägsen motståndskraft mot termisk chock, vilket gör dem att föredra i vissa tillämpningar.

För att förhindra sprickbildning under bearbetningen måste kiselkarbidgöt först värmebehandlas innan de skärs till wafers. Denna uppfinning ger en förbättrad metod för värmebehandling av kiselkarbidgöt genom att sänka både degeltemperaturen och atmosfärstrycket under kristalltillväxten, vilket minskar spänningen i det resulterande kiselkarbidgöt och ökar kristallkvaliteten; ingående spänningstillstånd i sådana göt kan sedan bestämmas med hjälp av högenergetisk röntgendiffraktion och Raman-mikrospektroskopi.