Nimi ja keemiline identiteet
Tähed SiC on räni ja süsiniku keemilised sümbolid, seega on SiC ränikarbiid, kahe elemendi kovalentne ühend vahekorras üks kuni üks ja mille molaarmass on umbes 40 grammi mooli kohta. Looduses esineb seda harva, kuna mineraalne moissaniit ja sisuliselt kogu kaubanduslik materjal on sünteetiline. Ränikarbiid on äärmiselt kõva, Mohsi kõvadusega umbes 9–9,5 ja Knoopi kõvadusega ligikaudu 2500 ning see säilitab tugevuse kõrgel temperatuuril ja on vastupidav oksüdeerumisele, kuna selle pinnale moodustub kaitsev ränidioksiidi kiht. Selle teoreetiline tihedus on umbes 3,21 grammi kuupsentimeetri kohta ja see on puhtal kujul elektriliselt pooljuhtiv, mis on selle kasutamise aluseks jõuelektroonikas.
Kuidas ränikarbiidi toodetakse
Ränikarbiidi lahtiselt valmistatakse Achesoni ahjus, kus kõrge puhtusastmega kvartsliiva ja süsiniku segu, tavaliselt naftakoksi, kuumutatakse voolu juhtimisel läbi grafiidisüdamiku, kuni laeng saavutab reaktsioonitemperatuuri üle 2000 kraadi Celsiuse järgi. Toode moodustub suure valuplokina, mida purustatakse, jahvatatakse, sõelutakse ja sorteeritakse ning protsess on energiamahukas, mistõttu on ränikarbiidi tootmine koondunud sinna, kus võimsus on odav. Keraamika ja pooljuhtide jaoks mõeldud peenpulbreid valmistatakse muudel viisidel, sealhulgas räni reageerimisel süsiniku ja aurufaasi protsessidega, mis annavad väga kõrge puhtusastmega materjali, mille osakeste suurus on kontrollitud.
Must ja roheline abrasiivklassid
Kaks tuttavat abrasiivi klassi on must ränikarbiid, mis on valmistatud kvartsliivast ja naftakoksist ning sisaldab sageli madalamat ränikarbiidisisaldust, mis sobib üldotstarbeliseks tööks, ja roheline ränikarbiid, mis on valmistatud puhtamast laengust, mis annab suurema ränikarbiidi sisalduse ja teravama, rabedama tera. Musta tera kasutatakse malmi, kivi, klaasi ja värviliste metallide jaoks lõhkamisel, lihvketastel ja kaetud abrasiividel, rohelist tera aga eelistatakse tsementeeritud karbiidi ja muude kõvade, rabedate materjalide puhul ning töödel, kus soojuse teket tuleb piirata. Mõlemad on liigitatud võrgusilma suuruse järgi, kusjuures iga võrgusilma number määrab osakeste suurusriba ja ränikarbiidi sisaldus klassis määrab, kui palju mitteabrasiivseid mineraale sisaldab.
Tulekindlad ja keraamilised vormid
Ränikarbiidi kasutatakse tulekindlates materjalides telliste, valatavate materjalide ja ahjumööbli toorainena selle kõrge soojusjuhtivuse, termilise šoki vastupidavuse ja keemilise stabiilsuse tõttu. Selle kõrge soojusjuhtivus ja kõrge temperatuuritugevus muudavad selle väärtuslikuks soojusvahetites ja põletikomponentides. Liimitud ja paagutatud ränikarbiidkeraamika toimib mehaaniliste tihendite, pumba komponentide, kulumisplaatide, düüside ja soomusena, kus kõvadus ja kulumiskindlus on määravad omadused. Reaktsiooniseotud materjal valmistatakse ränikarbiidi ja süsiniku tooriku infiltreerimisel sularäniga, paagutatud materjali tihendatakse lisanditega ning need kaks protsessi annavad erineva poorsuse, tugevuse ja kuluprofiili.
Elektri- ja pooljuhtide kasutamine
Ränikarbiid on laia ribalaiusega pooljuht ning selle võime töötada kõrgel pingel ja kõrgel temperatuuril madala lülituskaoga on muutnud selle jõuelektroonikas oluliseks. Seadmed on ehitatud monokristallilistele vahvlitele, mis on kasvatatud kõrge puhtusastmega pulbrist füüsilise aurutranspordi teel ning vahvlid peavad vastama väga rangetele mikrotoru defektide, dislokatsioonide ja lisandite kontsentratsiooni piiridele. Sama kõrge puhtusastmega pulbrit kasutatakse pooljuhtkeraamika ja kõrge temperatuuriga ahjude kütteelementide jaoks. Kõigil neil kasutusaladel on puhtusenõue palju kõrgem kui abrasiivse kvaliteediga materjalil, mistõttu on kilogrammi hind lõhkamisterastiku ja elektroonilise kvaliteediga vahvlite vahel suurusjärgus erinev.
Korduma kippuvad küsimused
K: Mida tähendab SiC?
SiC tähistab ränikarbiidi, räni ja süsiniku ühendit ning tähed on lihtsalt kahe elemendi keemilised sümbolid suhtes üks kuni üks.
K: Milleks ränikarbiidi kasutatakse?
Seda kasutatakse abrasiivina lihvimisel ja lõhkamisel, tulekindla toorainena, tihendite ja kuluvate osade struktuurkeraamikana ning jõuelektroonikas laia ribalaiusega pooljuhina.
K: Mis vahe on mustal ja rohelisel ränikarbiidil?
Must tera on valmistatud vähem puhtast laengust ja sobib üldiseks abrasiivseks tööks malmi, kivi ja värviliste metallide puhul, samas kui roheline tera on puhtam, teravam ja eelistatud kõvade materjalide (nt tsementeeritud karbiid) jaoks.
K: Kui kõva on ränikarbiid?
Selle Mohsi kõvadus on umbes 9–9,5 ja Knoopi kõvadus ligikaudu 2500, mis teeb selle teemandi- ja kuupboornitriidi järel kõige kõvemate tööstuslike materjalide hulka.
K: Kas ränikarbiid on looduslik või sünteetiline?
Peaaegu kogu kaubanduslik ränikarbiid on sünteetiline, toodetud Achesoni ahjus kvartsliivast ja süsinikust, kuigi haruldane looduslik vorm on ka mineraalne moissaniit.
K: Miks on elektrooniline ränikarbiid nii kallis?
Kuna pooljuhtvahvlid peavad olema kasvatatud väga kõrge puhtusastmega pulbrist ja need peavad vastama kristallide defektide ja lisandite suhtes äärmiselt rangetele piirangutele, mis on palju suuremad kui abrasiivse või tulekindla kvaliteediga materjali nõuded.