Karbid kremičitý

Karbid kremíka alebo pod obchodným názvom karborundum (chemický vzorec SiC) je zlúčenina kremíka a uhlíka. V prírode sa vyskytuje ako veľmi ojedinelý minerál moissanit. Karbid kremíka sa vyrába vo forme prášku od roku 1893 a pôvodne sa používal ako abrazívum. Zrnká karbidu kremíka sa spájajú spekaním a vytvárajú veľmi tvrdú, ale ťažko opracovateľnú a tvarovateľnú keramiku, ktorá má široké uplatnenie v aplikáciách, kde je potrebná vysoká odolnosť, ako sú brzdy a spojky automobilov alebo nepriestrelné vesty. Karbid kremíka sa používa v elektrotechnike v luminiscenčných diódach (LED) a ako detektor v starých rozhlasových prijímačoch. Dnes sa používa vo vysokoteplotných/vysokonapäťových polovodičoch (šírka zakázaného pásma je 2,2 eV pre β-SiC a 3,3 eV pre α-SiC) alebo na výrobu výhrevných elementov s prevádzkovou teplotou do 1 800 °C.

Výroba
Najjednoduchší spôsob výroby karbidu kremíka je zahriatie zmesi kremičitého piesku a koksu na teplotu od 1 600 °C do 2 500 °C. Materiál sa vytvára karbotermickou redukciou oxidu kremičitého a v závislosti od vzdialenosti od grafitového výhrevného elementu má rôznu kvalitu a čistotu. Čisté, slabo žlté a zelené kryštály majú najvyššiu kvalitu a spravidla sú blízko grafitového rezistora. Farebné zmeny k modrej a čiernej farbe sa prejavujú vo väčších vzdialenostiach od rezistora, čo je spojené s nižšou čistotou.

Čistý karbid kremíka možno pripraviť metódou CVD (chemical vapor deposition). Jej nevýhodou je vysoká ekonomická náročnosť a nízke výťažky, naopak výhodou je vysoká čistota, homogénnosť a jemnosť. Čistý karbid kremíka môže byť pripravený tiež tepelným rozkladom polymérov, (polymetylsilánu), pod inertnou atmosférou a pri nízkej teplote.

Hutný karbid kremíka sa pripravuje spekaním v tuhej fáze alebo v prítomnosti kvapalnej fázy pri teplotách okolo 1 850 až 2 500 °C, horúcim lisovaním (pri tlaku 35 MPa), reakčným spekaním, zrážaním z plynnej fázy alebo pestovaním monokryštálov pre špeciálne polovodičové aplikácie. Kremík, ktorý je počas spekania tekutý, reaguje s grafitovým práškom a vytvára sklenú fázu karbidu kremíka, pôsobiacu ako spojivo. Po spracovaní obsahuje materiál obvykle 1015 % zvyškového kremíka.

Vlastnosti
Vyznačuje sa vysokou tvrdosťou (na Mohsovej stupnici tvrdosti má hodnotu 9,5), pričom má podobnú hustotu, chemickú stálosť ako nitrid kremíka, má však nižšiu pevnosť v ohybe a lomovú húževnatosť. Jeho odolnosť voči teplotným zmenám je dobrá vďaka relatívne nízkej teplotnej rozťažnosti a vysokej tepelnej vodivosti.

Použitie

Abrazívne a rezné nástroje
V umeleckom priemysle sa karbid kremíka používa ako abrazív v modernej glyptike, hlavne kvôli svojej odolnosti a pomerne nízkej cene. Vo výrobe sa používa pre svoju tvrdosť v procesoch abrazívneho obrábania, ako brúsenie, honovanie, obrábanie vodným prúdom a otryskovanie. Čiastočky karbidu kremíka vrstvené na papier tvoria brúsny papier. Vrchná strana skejtbordových dosiek sa pokrýva vrstvou čiastočiek karbidu kremíka na zvýšenie adhézie.

Výrobný materiál
V 80. a 90. rokoch bol karbid kremíka skúmaný v niekoľkých vývojových programoch pre vysokoteplotné plynové turbíny v Európa, Japonsku a USA. Uvažovalo sa o ňom ako o náhrade niklových superzliatinových lopatiek turbín alebo lopatiek trysiek. Ale zo žiadneho z týchto projektov nevzišla sériová výroba, a to hlavne kvôli nízkej odolnosti voči nárazom a nízkej lomovej húževnatosti.

Karbid kremíka je používaný tiež ako regále alebo police vo vysokoteplotných peciach určených pre vypaľovanie keramiky alebo odlievanie skla. Regále v peciach sú porovnateľne ľahšie a odolnejšie ako regále z oxidu hlinitého.

Automobilový priemysel

Kremíkom obohatený uhlík-uhlíkový kompozit je používaný v kotúčových brzdách pretekárskych automobilov, pretože dokáže znášať vysoké teploty. Kremík reaguje s uhlíkom v uhlík-uhlíkovom kompozite a tvorí tak karbid kremíka vystužený uhlíkovým vláknom (C/SiC). Tieto kotúče sa montujú aj do niektorých civilných športových automobilov, ako Porsche Carrera GT, Bugatti Veyron, Chevrolet Corvette ZR1, a tiež do automobilov značiek Ferrari, Bentley, Lamborghini a do niektorých výkonných modelov Audi. Karbid kremíka sa používa vo svojej spekanej forme pre filtre pevných častíc v naftových motoroch.

Referencie

Iné projekty

Externé odkazy
A Brief History of Silicon Carbide Dr J F Kelly, University of London
Material Safety Data Sheet pre Silicon Carbide

Zdroj

Kremičitý
Zlúčeniny kremíka
Keramické materiály
Syntetické minerály
Polovodičové materiály
Materiály s vysokou tvrdosťou
Žiaruvzdorné materiály