Карбид кремния

Карбид кремния

Карбид кремния, несмотря на его редкостные запасы, можно с легкостью назвать камнем, который очень хорошо пригодился всему человечеству. Он был настолько нужен нам, что люди научились получать его сами.

Итак, карбид кремния, это единственное полупроводниковое бинарное химическое соединение, неорганического происхождения, из таких веществ, как кремний и углерод (следует отметить, что к карбидам относятся все соединения углеродов с металлами или неметаллами). Его химическая формула – SiC.

Природное происхождение карбид кремния

В природе этот минерал встречается крайне редко и называется Муассанит. Как правило, его находят в месторождениях корунда и кимберлита, а также в некоторых метеоритах. Выглядит он в виде небольших бесцветных кристаллов с алмазным блеском. Несмотря на то, что на Земле его количество ничтожно мало, в космосе есть множество мест, где муассанит сильно распространен (например, вокруг богатых на углерод звезд собираются пылевые облака с большим содержанием этого материала).

Впервые за карбид кремнием начали наблюдать еще в далеком 1824 году (Якобом Берцелиусом). После некоторых опытов по синтезу минерала, в 1893 году, уже другим исследователем Эдвардом Ачисоном, была разработана электрическая печь для получения порошкообразного вещества карбида кремния. Конструкция и принцип работы этой печи не изменились и до сих пор. Первоначально искусственный карбид кремния разрабатывался как абразив. Дальше он нашел применение в различных электронных устройствах: в радиоприемниках и в качестве компонента для светодиодов.

В 1905 году Анри Муассаном, исследуя метеорит, обнаружил в нем минерал аналогичной структуры, который позднее и был назван муассанитом в его честь. Это тугоплавкий минерал, который выдерживает температуры до 2830 градусов и в твердости уступает лишь алмазу и боразону.

Природный карбид кремний — муассонит

Искусственное происхождение карбид кремния

Из-за своего редкостного происхождения и, в то же время, широкого применения, карбид кремния, в большинстве своем, имеет искусственное происхождение. Техническое название такого синтетического минерала – Карборунд. В отличие от чистого природного муассанита карборунд имеет вид зеленых и черных кристаллов, в зависимости от выбранной технологии и процента содержания в нем примесей железа (зеленый – содержит 97% карбид кремния, черный – в диапазоне 95-97%).

Известно, что абразивные свойства зеленого минерала на 20% выше (например, для производства многих видов шлифовальных шкурок большее предпочтение отдают черному карбиду кремния). Так же могут быть еще и белые окрасы, серые и желтые.

В качестве сырья для получения карбида кремния используют чистый кварцевый песок, а также кокс или антрацит.

Искусственный карбид кремний — карборунд

Структура и свойства карбида кремния

Известно примерно 250 кристаллических форм карбида кремния, которые различаются, как и по цвету, так и по свойствам. Но у всех есть общие главные качества – это стойкость к взаимодействию с большинством кислот; высокая термическая, химическая и радиационная устойчивость (способность выдерживать температуры до 1500 градусов по Цельсию); низкий коэффициент теплового расширения; стойкость к фазовым переходам (из-за которых часто происходит разрушение монокристаллов у других веществ).

Применение карбид кремния

Он применяется в различных областях человеческой деятельности: в астрономии, автомобильной и металлургической промышленности, в электронике и электротехнике, в пирометрии (измерения температуры газов), в качестве элементов ядерного топлива и в изготовлении ювелирных изделий.

Как абразив и конструкционный материал:

• Это различные шлифовальные порошки, круги и шкурки со свойствами высокой твердости и износостойкости.
• Все шлифовальные материалы активно применяются в разных отраслях промышленности (например, металлургической, электротехнической и т.д.).
• Часто абразивные порошки добавляют в плитку, покрывают лестничные ступени или аэродромы.
• Благодаря своей твердости карбид кремния является одним из компонентов защиты бронежилета или элементов бронированной военной техники.
• Используется в высококачественных тормозах для спортивных автомобилей.
• В дизельных фильтрах (для очистки жидкостей от твердых частиц).
• В специальных погружных насосах предназначенных для работ в химически-агрессивных средах.
• Являются частью высококачественных сопел и форсунок, насадок и распылителей.
• Применяются в качестве огнеупорных изделий в металлургической промышленности и т.д.

Бронижилет с компонентами из карбид кремния

Тормозная система с дисками из карбид кремния

Как полупроводник:

• Для изготовления грозоразрядников.
• Надежных, стабильных и мощных светодиодов (до 9 ватт).
• Для изготовления полевых транзисторов, терморезисторов, различных полупроводниковых приборов.
• Для производства лазеров.
• В микроэлектронике.
• В качестве катализатора.

Карбид кремния — важный компонент светодиодов

В качестве драгоценных камней и изделий:

• Используется при изготовлении синтетических кристаллов (до 10 карат).
• Как заменитель алмазов: более дешевый, но, при этом, с высокими показателями преломления света (дисперсия «игры света» у природного муассанита даже превосходит алмаз).

Кольцо из муассанита

До сих пор существует большой интерес к карбиду кремния, как к материалу с широкими возможностями применения. С ним экспериментируют и находят новые полезные решения, которые служат на благо всему человечеству.

Эта статья была написана потому что в нашем интернет-магазине появились шлифовальные камни с наконечниками из карбида кремния.

Карбид кремния

Карбид кремния – широкозонный полупроводниковый материал, используемый при производстве диодов, транзисторов и тиристоров. В мою практику разработчика силовой электроники карбид кремния вошёл уже очень давно. Ещё около десяти лет назад прочитал статью от Infineon о том, что применение SiC-диода в корректоре коэффициента мощности (ККМ) может существенно повысить КПД преобразователя. Применил. И даже сравнил с кремниевым диодом – действительно, выигрыш оказался весьма существенным. С тех пор применял SiC диоды и транзисторы во многих разработках.

Рассмотрим, какие преимущества имеют SiC MOSFET-транзисторы по сравнению с кремниевыми:

• меньшие входная (C_iss) и выходная (C_oss) ёмкости и соответственно более высокая скорость переключения, что приводит к уменьшению динамических потерь на переключение;
• меньше заряд затвора Q_g, соответственно меньшие потери на управление;
• ниже сопротивление открытого канала R_DSon, что обеспечивает уменьшение статических потерь (потери проводимости);
• не такая сильная зависимость R_DSon от температуры;
• низкий заряд обратного восстановления паразитного диода;
• более высокая рабочая температура.

Глядя на это сравнение можно сказать, что карбид кремния по всем параметрам (кроме цены) превосходит кремниевые транзисторы. Несколько слов про сопротивление канала R_DSon. Действительно, этот параметр у выбранных Si транзисторов немного ниже для нормальных условий, однако это с лихвой компенсируется очень сильной зависимостью R_DSon от температуры.

На следующей картинке показаны данные зависимости для двух транзисторов. Видно, что при температуре 100ºС (поставил точки на графиках) превышение для карбида кремния составляет всего 10%, а для кремниевого транзистора 65%.

Мощные полупроводники никогда не работают при комнатной температуре, а влияние температуры кристалла на прямое сопротивление канала может быть весьма существенным. Эту особенность нужно всегда учитывать при расчёте статических потерь и выборе транзисторов. По графику видно, что даже при температуре 75ºС при вычислении эффективного значения R_DSon для кремния нужно применять поправочный коэффициент 1,4.

Мы рассмотрели преимущества карбида кремния, что же с обратной стороны медали?

Современность

В конце XX был изготовлен первый кристалл карборунда, до этого он был известен только в виде порошка. Как только появилась возможность синтезировать кристалл — его синтезировали. Результат оказался поразительным. По многим показателям карборунд превосходил алмаз.

• степень светопреломления на четверть выше;
• дисперсия — в два с половиной.

То есть он лучше блестит и даёт больше радужных бликов. Казалось бы — вот она, удача. Его действительно признали лучшей имитацией алмаза. Но в массовым он так и не стал. Делать ювелирные изделия с карборудном с точки зрения коммерции бессмысленно.

Производство украшений из камня слишком сложное и затратное дело. Крупный образец будет стоить порядка 500 долларов за карат. Сомнительно, что найдутся любители покупать искусственные камни за такие деньги. Даже если они высокотехнологичные и сверхблестящие. Сейчас кристаллы карбида кремния делает только одна американская компания, а в продаже он встречается реже, чем бриллиант.

Теоретически камень должен быть красивым: блестящий, сияющий, с радужной игрой света на гранях.

Но ценители камня его не очень ценят. На то есть несколько причин:

• яркие переливы света непривычны глазу и скорее раздражают, создают впечатление безвкусности и кичливости;
• прозрачных и чистых по цвету камней нет. Все они имеют пыльный зеленоватый оттенок. Химики пока с этим ничего поделать не могут;
• лучики света, которые отбрасывает бриллиант плотные, яркие, с насыщенными оттенка. Карборунд даёт более прозрачные и тёмные отблески.

Как видим, искусственному муассаниту не удалось превзойти алмаз и вытеснить его с ювелирных прилавков.

Непрозрачные недорогие образцы предприимчивые итальянцы продают как куски лавы Везувия.

Однако у карборунда есть ряд преимуществ:

• он не оставляет на себе жировых отпечатков. Если долго щупать бриллиант, он покроется жировой плёнкой и блестеть перестанет. Карборунд к этому невосприимчив. сколько его не трогай — он продолжит блестеть;
• поскольку карборунд выращен искусственно, он лишён дефектов. Его ограняют в идеальные, математически точно выверенные кристаллы. К тому же на материале можно не экономить. С бриллиантами это не всегда проходит. Иногда хочет сохранить вес камня и умышленно нарушает пропорции, иногда обходит дефекты. Браком это не считаются. Такие бриллианты хоть и стоят ниже, но на рынок поступают;
• в экстремальных температурах (около 1000 градусов Цельсия) алмаз горит, а карборунд нет. Вы можете кинуть платиновое кольцо в угольную печь и оно не пострадает.

Кроме этого он прочный, лишь незначительно уступает алмазу. К тому же он инертный — не вступает в реакцию с другими веществами (кроме плавиковой, азотной и ортофосфорной кислот), отличается высокой теплопроводностью, плотностью электрического тока и электрическим напряжением, имеет малый коэффициент теплового расширения и не имеет фазовых переходов, разрушающих кристалл.

Сейчас карборунд производят методом термического разложения полиметилсилана при низких температурах в присутствии инертного газа. Полученный материал применяется во многих сферах жизни.

Применяется в качестве:

• абразив для шлифования и напыление для пил;
• сырьё для режущих инструментов;
• полупроводник в электротехнической промышленности;
• катализатор в химической промышленности;
• подшипники и элементы оборудования в плавильных печах, поскольку он выдерживает нагрузку до 1700 градусов Цельсия;
• сырьё для производства бронежилетов;
• основа для сверхмощных светодиодов;
• сырьё для изготовления высококачественных дисковых тормозов;
• сырьё для создания зеркальных деталей в оптических системах.

Это далеко не всё. Камень используется в ядерной энергетике, строительстве, органическом синтезе.

Советы при покупке украшений.

Первое, что вы должны сделать при покупке вольфрамовых ювелирных изделий, это убедиться, что вы знаете, из чего состоит изделие, которое вам предлагают.

Как вы уже видели, эти два материала отличаются по прочности и химическому составу. Если вы ищете долговечность, убедитесь, что ювелирные изделия, которые вы покупаете, сделаны именно из карбида вольфрама.

Вы должны также спросить о всех других металлах, которые содержит определенное вольфрамовое изделие.

Существуют некоторые драгоценности, которые являются более дешевыми, и часто причиной является то, что они содержат кобальт вместо никеля (мы уже говорили, почему кобальт не является предпочтительным).

Даже если драгоценности маркированы как «карбид вольфрама», вы все равно должны это проверить, поскольку некоторые изделия могут быть сделаны с кобальтом: необычно низкая цена — один из признаков того, что это так.

В целом, избегайте покупать вольфрамовые драгоценности, если нет указания, что они содержат. Между прочим, это правило распространяется на любые украшения, которые вы покупаете.

Искусственные абразивы

Впервые искусственный абразив карборунд синтезировал в 1891 г. ученый-изобретатель Эдвард Ачесон (США). Сегодня же абразивов производственного происхождения очень много, они применяются шире, чем природные. Рассмотрим особенности самых распространенных из них.

Электрокорунд получают посредством восстановительной плавки из боксита в электропечах. Цвет абразива варьируется от серого до красно-бурого. Из материала производят жесткий абразивный инструмент.

Карбид кремния получается с помощью восстановления кремниевой кислоты углеродом. Материал обладает повышенной хрупкостью, применяется в порошковом виде либо как инструмент для обработки стекла, фарфора и прочих хрупких структур.

Карбид бора — наиболее твердый синтетический абразив, используется как паста для шлифовки очень твердых поверхностей.

Карбидостали

Карбиды вольфрама и титана применяются для изготовления карбидосталей, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между твердыми сплавами и быстрорежущими сталями. Тугоплавкие металлы обеспечивают им высокую твердость, прочность и износо­стойкость, а стальная матрица – вязкость и пластичность. Массовая доля карбида титана и вольфрама может составлять 20-70 %. Такие материалы получают методами порошковой металлургии, указанными выше.

Карбидостали используются для производства режущего инструмента, а также деталей машин, работающих в условиях сильного механического и коррозионного износа (подшипники, зубчатые колеса, втулки, валы и другие).

Обработка черных и цветных металлов пастами на основе карбида титана, по сравнению с алмазными пастами, повышает производительность доводки на 150%, увеличивает чистоту на класса и стойкость обрабатываемых деталей в снижается степень шаржирования абразива в обрабатываемую деталь. При обработке черных металлов пасты КТ по съему не уступают алмазным и эльборовым.

Абразивные пасты КТ состоят из классифицированных по зернистости порошков карбида титана и наполнителя — композиции из смазочных материалов и поверхностно-активных веществ. Составы наполнителя отличаются в зависимости от требований к смываемости пасты с обрабатываемой поверхности и поэтому пасты производятся трех типов:

• смываемые водой (В);
• смываемые органическими растворителями (О);
• смываемые как водой, так и органическими растворителями (ВО).

Таблица 1. Зернистость и концентрация карбида титана в пастах КТ

Пример обозначения абразивных паст КТ

КТ 20/14 ПОМ — паста КТ; зернистость 20/14; «П»-повышенная концентрация КТ; «О»-смываемая органическим растворителем; «М»-мазеобразная.

КТ 20/14 ПВМ — паста КТ; зернистость 20/14; «П»-повышенная концентрация КТ; «В»-смываемая водой; «М»-мазеобразная.

КТ 20/14 ПВОМ — паста КТ; зернистость 20/14; «П»-повышенная концентрация КТ; «ВО»-смываемая как водой, так и органическим растворителем; «М»-мазеобразная.
В соответствии с ТУ 3989-101-75420116-2006 пасты КТ должны обеспечивать указанные в табл. 2 характеристики абразивной и полирующей способности, которые определяются при обработке эталонных образцов из стали ШХ-15 твердостью 46. 51 HRCЭ по ГОСТ801-78.

Таблица 2. Абразивная и полирующая способность паст КТ

Рекомендации по применению абразивных паст КТ

В качестве материала притира используется чугун СЧ медь латунь, стекло марки ЛН-5, дерево (береза, бук, дуб), винипласт, фетр, текстиль и др. Зернистость порошка в пасте выбирают в зависимости от вида обработки, припуска и требуемой шероховатости, руководствуясь данными табл. 3.

Таблица 3. Зернистость порошка карбида титана в пастах КТ в зависимости от вида обработки

Пасту наносят равномерным слоем на поверхность притира. Масса наносимой пасты в зависимости от вида обработки и зернистости порошка в пасте приведена в табл. 4.

В случае необходимости пасту можно разбавлять до нужной консистенции. Пасты, смываемые органическими растворителями («О»), можно разбавлять индустриальным и авиационным маслами, керосином, бензином. Пасты на водосмываемой основе («ВО», «В») можно разбавлять этиловым спиртом и водой.

Нагрузка не должна превышать 73,5 Па, продолжительность притирки (доводки) — мин (по истечении этого времени производительность снижается), скорость перемещения притира — Расход пасты КТ в зависимости от вида обработки и зернистости порошка.

После притирки деталь необходимо тщательно отмыть от шаржированного абразива и шлама:

• керосином или бензином (пасты «О», «ВО»);
• 1% водным раствором ПАВ или теплой водой (пасты «В», «ВО»).

Окончательную отмывку обработанных деталей, работающих в узлах трения (напр., плунжерных пар), следует производить моющими растворами в ультразвуковых ваннах.

Рекомендации по использованию абразивных паст КТ в различных отраслях
промышленности приведены в табл. 5.

Условия хранения

Все пасты необходимо хранить в плотно закрытой таре при температурах от 5 до 30 ºС. Хранящиеся при низкой температуре пасты обладают повышенной вязкостью. Допускается хранение при температурах ниже 0 ºС; в этом случае перед использованием необходимо выдержать тару с пастами при комнатной температуре в течение часов.