Карбид кремния
Общие сведения
Карбид кремния, также известный как карборунд, представляет собой бинарное неорганическое соединение кремния с углеродом, имеющее химическую формулу SiC. Данное вещество преимущественно является искусственно синтезированным материалом, масштабное производство которого началось в конце девятнадцатого века. Патент на синтез карбида кремния и конструкцию специальной электрической печи был получен Эдвардом Ачесоном 28 февраля 1893 года. Впоследствии Ачесон основал компанию под названием Карборунд, что способствовало внедрению материала в промышленность. Изначально соединение применялось исключительно в качестве абразива, однако с развитием технологий его начали использовать в электронных устройствах, радиоприемниках и светодиодах.
Свойства и характеристики
Карбид кремния отличается исключительной твердостью, достигающей 9,5 баллов по шкале Мооса, что делает его сопоставимым с алмазом. Кристаллическая решетка материала аналогична решетке алмаза. Известно более 250 кристаллических модификаций, называемых политипами, среди которых наиболее распространен альфа-карбид кремния, а также встречается бета-модификация. В чистом виде соединение абсолютно бесцветно, однако примеси железа, азота или алюминия могут придавать кристаллам коричневый, черный, бледно-желтый или зеленый оттенки. На воздухе кремний вступает в реакцию с кислородом, образуя на поверхности кристаллов тончайшую пассивирующую пленку диоксида кремния, которая защищает материал от дальнейшего окисления и придает ему характерный радужный блеск. Вещество обладает высокой термической устойчивостью, выдерживая нагревание на открытом воздухе до 1500 градусов Цельсия, и не плавится ни при каком из известных давлений. По ряду показателей материал превосходит алмаз, который сгорает и распадается на графит уже при 800 градусах. Карбид кремния является полупроводником с высокой теплопроводностью, в три раза превышающей теплопроводность чистого кремния, и электрической прочностью, в десять раз большей, чем у арсенида галлия. Материал способен стабильно работать при температурах до 500 градусов Цельсия и обладает высокой радиационной стойкостью, а некоторые его политипы при температуре 1,5 Кельвина переходят в состояние сверхпроводимости. Химически соединение крайне инертно. Оно растворяется исключительно в концентрированных плавиковой, азотной и ортофосфорной кислотах. При экстремально высоких температурах карбид кремния разлагается на кремний и углерод. Воздействие сильно перегретого пара приводит к образованию оксида кремния и метана. В присутствии кислорода щелочи растворяют карбид кремния с образованием силикатов и углекислого газа, а при сильном нагревании материал способен реагировать с галогенами, азотом и активными металлами.
Нахождение в природе
В естественных условиях на Земле карбид кремния встречается крайне редко. Природный аналог этого соединения известен как минерал муассанит, который был впервые обнаружен в 1893 году. Его находят в ничтожно малых количествах в некоторых метеоритах и месторождениях корунда. В космическом пространстве карбид кремния распространен весьма широко, особенно в пылевых облаках, окружающих богатые углеродом звезды. Практически все образцы природного карбида кремния, обнаруживаемые в метеоритах на Земле, имеют внесолнечное происхождение и занесены из других звездных систем.
Получение
Основным промышленным методом получения карбида кремния остается процесс Ачесона, который заключается в спекании кремнезема, то есть диоксида кремния, с углеродом в графитовой электрической печи. Чистота получаемого продукта напрямую зависит от расположения сырья относительно графитового резистора. Наиболее чистые бесцветные, бледно-желтые или зеленые кристаллы формируются в непосредственной близости от нагревательного элемента, тогда как на периферии образуются черные кристаллы, содержащие большое количество примесей. Для получения высокочистого материала применяется процесс Лели, при котором порошкообразный карбид кремния возгоняется в атмосфере аргона при температуре 2500 градусов Цельсия с последующим осаждением, что позволяет выращивать качественные монокристаллы. Кроме того, синтез возможен путем термического разложения кремнийорганических полимеров, таких как полиметилсилоксан.
Применение
Благодаря своей выдающейся твердости карбид кремния широко применяется в качестве абразивного материала. Из него изготавливают шлифовальные шкурки, инструменты для хонингования, пескоструйной обработки и водоструйной резки. С 1982 года используются композитные материалы из оксида алюминия и карбида кремния, а также нитевидные кристаллы для создания режущих инструментов. Материал востребован в производстве деталей для автомобильной промышленности и высокотемпературных газовых турбин. Высокая прочность обусловила его применение в создании композитной брони, включая диски для современных бронежилетов. В электротехнике и электронике карбид кремния служит основой для создания варисторов, систем защиты от перенапряжения и сверхбыстрых высоковольтных диодов. С восьмидесятых годов двадцатого века материал используется в производстве синих и желтых светодиодов. Оптические свойства соединения позволяют применять его в астрономических телескопах и пирометрии для измерения температур высоконагретых газов. Термическая стойкость делает карбид кремния идеальным материалом для нагревательных элементов, способных функционировать при температурах до 1400 градусов Цельсия на воздухе и до 2000 градусов в инертной среде, а также для использования в ядерной энергетике. В ювелирном деле синтетический муассанит применяется как высококачественная имитация алмаза, отличающаяся меньшей стоимостью при сопоставимой твердости. Отличить муассанит от натурального алмаза можно по характеру флуоресценции в ультрафиолетовом свете или путем царапания, так как алмаз является единственным минералом, способным оставить след на муассаните. В металлургии карбид кремния используется как более чистое топливо для выплавки стали по сравнению с углем. Кроме того, вещество служит катализатором в химических процессах, например, при производстве малеинового ангидрида, выступает сырьем для получения графена методом графитизации при высоких температурах и добавляется в фибробетон в строительной отрасли.