Silicio karbidas (SiC)yra sintetinė abrazyvinė ir pažangi keraminė medžiaga, garsėjanti išskirtiniu kietumu, terminiu stabilumu ir cheminiu atsparumu. Tačiau, kaip ir daugelyje pramoninių medžiagų, jame dažnai yra priemaišų pėdsakų{1}}, tarp kurių laisvoji anglis yra viena iš svarbiausių dalykų, kuriuos reikia suprasti. Gamintojams, pirkėjams ir galutiniams-naudotojams šlifavimo, ugniai atsparių ir puslaidininkių pramonės šakose labai svarbu suvokti laisvosios anglies SiC prigimtį, poveikį ir kontrolę, kad būtų užtikrinta produkto kokybė ir veikimas.
Norėdami apibrėžti laisvą anglį SiC, pirmiausia paaiškiname skirtumą tarp surištos anglies ir laisvos anglies medžiagoje:
- Surišta anglis:Tai anglis, chemiškai sujungta su siliciu (Si), kad susidarytų pirminė SiC kristalų struktūra (cheminė formulė: SiC). Surišta anglis yra būtina-ji suteikia SiC unikalių fizinių ir cheminių savybių, pvz., 9,2–9,4 Moso kietumo ir aukštą lydymosi temperatūrą (~2730 laipsnių).
- Nemokama anglis:Nurodo nesureagavusią anglį, kuri lieka SiC matricoje nesudarant cheminių ryšių su siliciu. Jis egzistuoja kaip atskiros dalelės (pvz., grafitas, amorfinė anglis), pasiskirstę visoje SiC medžiagoje. Skirtingai nuo surištosios anglies, laisva anglis yra priemaiša, o ne funkcinis SiC komponentas.
Surišta anglis yra SiC būdingos struktūros dalis; laisva anglis yra liekamasis nebaigtų reakcijų gamybos metu produktas.
Laisvosios anglies šaltiniai silicio karbido gamyboje
Silicio karbidas pirmiausia gaminamas naudojant Acheson procesą, kai silicio smėlis (SiO₂) ir anglies turinčios medžiagos (pvz., koksas, grafitas, naftos koksas) kaitinami elektrinės varžos krosnyje 2200–2500 laipsnių temperatūroje. Laisvos anglies formos susidaro dėl nepilno silicio dioksido karboterminio redukavimo, kurį lemia keturi pagrindiniai veiksniai:
1. Anglies perteklius žaliavose:
Siekdami užtikrinti visišką silicio dioksido (SiO₂ + 3C → SiC + 2CO↑) sumažinimą, gamintojai dažnai prideda nedidelį anglies perteklių (5–10 % daugiau nei stechiometrinis santykis). Jei reakcija nesibaigia, nesureagavusi anglies perteklius lieka kaip laisva anglis.
2. Netolygus temperatūros pasiskirstymas krosnyje:
Acheson krosnis turi aukštos{0}}temperatūros šerdį (reakcijos zoną) ir žemesnės{1}}temperatūros išorinius sluoksnius. Vietose, kur šiluma yra nepakankama (žemiau 2200 laipsnių), silicio dioksidas redukuojamas nevisiškai, todėl nesureagavusi anglis lieka įstrigusi SiC produkte.
3. Trumpas reakcijos laikas:
Spartus lydymosi procesas, siekiant padidinti gamybos efektyvumą, gali užkirsti kelią visiškam anglies pavertimui surišta anglimi. Tai būdinga pigių SiC gamyboje{1}}, kur proceso valdymas yra ne toks griežtas.
4. Žemos-kokybės anglinės žaliavos:
Anglies šaltiniai, kuriuose yra daug pelenų (pvz., žemos -klasės koksas) arba silpnas reaktyvumas, gali nevisiškai reaguoti su silicio dioksidu, todėl susidaro daugiau laisvos anglies likučių. Labai -grynas SiC (pvz., žalias SiC) naudoja aukščiausios kokybės anglies šaltinius (pvz., naftos koksą), kad sumažintų šią problemą.
Produktų poveikis
Poveikis našumui
Kietumas ir atsparumas dilimui:Laisva anglis gali paveikti silicio karbido kietumą ir atsparumą dilimui, paprastai sumažindama bendras mechanines savybes.
Šilumos laidumas:Laisva anglis gali sumažinti medžiagos šilumos laidumą ir turėti įtakos jos veikimui aukštoje{0}}temperatūroje.
Cheminis stabilumas
Laisva anglis gali paveikti silicio karbido cheminį stabilumą, ypač esant aukštai temperatūrai arba oksiduojančioje aplinkoje, todėl gali pablogėti medžiagos savybės.
Elektrinės savybės
Naudojant puslaidininkius, laisvos anglies buvimas gali paveikti silicio karbido elektrinį laidumą ir sumažinti jo, kaip puslaidininkinės medžiagos, efektyvumą.
Toleruotinas arba nedidelis teigiamas poveikis (mažas anglies dioksido kiekis)
Ne-kritinėse programose mažas laisvosios anglies kiekis (mažiau nei 0,5 %) gali turėti minimalų poveikį arba net nedidelę naudą:
- Ketaus šlifavimas:Šlifuojant ketų (palyginti minkštą medžiagą), anglies pėdsakų neturinti medžiaga gali veikti kaip tepalas, mažinantis trintį tarp abrazyvo ir ruošinio.
- Nebrangios ugniai atsparios medžiagos:Naudojant ne-aukštą-temperatūrą (pvz., mažos-keramikos krosnyse), saikingai laisva anglis gali sumažinti gamybos sąnaudas, nepakenkiant tarnavimo laikui.
DUK
- Kl.: Ar laisvoji anglis gali būti visiškai pašalinta iš SiC?
A: Beveik neįmanoma visiškai pašalinti laisvosios anglies-netgi didelio-grynumo SiC yra nedideli kiekiai (mažiau nei 0,1 %). Tikslas yra sumažinti jį iki lygio, atitinkančio taikymo standartus.
- Kl.: ar laisva anglis yra tokia pati kaip grafitas SiC?
A: Grafitas yra viena iš laisvos anglies formų. Laisvoji anglis taip pat gali egzistuoti, nes amorfinės anglies arba kokso likučiai{1}}grafitas yra stabilesnis ir mažiau reaktyvus nei amorfinė anglis.
- Kl.: ar laisva anglis turi įtakos SiC spalvai?
A: Taip. Dėl didelio laisvosios anglies kiekio juodasis SiC gali atrodyti tamsesnis arba blyškesnis. Žalias SiC su laisvos anglies pertekliumi gali turėti pilkšvą atspalvį, o ne ryškiai žalią.
