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Polvo de carburo de silicioes una sustancia inorgánica con la fórmula química SiC, CAS 409-21-2. Se fabrica mediante la fundición a alta temperatura de materias primas como arena de cuarzo, coque de petróleo (o coque de carbón) y aserrín (es necesario agregar sal para producir carburo de silicio verde) a través de un horno de resistencia. Es un semiconductor que existe en forma de moissanita, un mineral extremadamente raro en la naturaleza. Desde 1893, se produce a gran escala en forma de polvos y cristales, se utiliza como abrasivos, etc. Entre los materiales refractarios de alta tecnología sin óxido, como C, N y B, es el más utilizado y económico, y puede denominarse arena de acero o arena refractaria. El producto producido por la industria china se divide en dos tipos: carburo de silicio negro y carburo de silicio verde, ambos cristales hexagonales.
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Fórmula química |
C40H68Si |
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Masa exacta |
577 |
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Peso molecular |
577 |
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m/z |
577 (100.0%), 578 (43.3%), 579 (9.1%), 578 (5.1%), 579 (3.3%), 579 (2.2%), 580 (1.4%) |
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Análisis elemental |
C, 83,26; H, 11,88; Sí, 4,87 |
El SiC es un material semiconductor compuesto binario típico, siendo la unidad básica de su estructura cristalina un tetraedro simétrico cuádruple, concretamente SiC4 o CSi4. La distancia entre átomos de Si o C adyacentes es 3,08 Å, mientras que la distancia entre átomos de C y Si adyacentes es sólo de aproximadamente 1 Å 89 Å. [13] En los cristales de SiC, los átomos de Si y C forman enlaces covalentes tetraédricos muy fuertes (energía de enlace de 4,6 eV) al compartir pares de electrones en orbitales hibridados sp3.
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El carburo de silicio puro es un cristal incoloro y transparente. El carburo de silicio industrial aparece en color amarillo claro, verde, azul o incluso negro según el tipo y contenido de impurezas que contiene, y su transparencia varía con su pureza. La estructura cristalina del carburo de silicio se divide en - SiC hexagonal o romboédrico y - SiC cúbico (conocido como carburo de silicio cúbico). Debido a las diferentes secuencias de apilamiento de átomos de carbono y silicio en su estructura cristalina, - SiC forma muchas variantes diferentes, y se han descubierto más de 70. . - SiC se transforma en - SiC por encima de los 2100 grados. . - SiC es la forma cristalina más común, mientras que - SiC pertenece al sistema cristalino cúbico, también conocido como carburo de silicio cúbico. Hasta ahora, el uso comercial de - SiC ha sido relativamente limitado, aunque puede usarse como portador para catalizadores heterogéneos debido a su mayor área superficial en comparación con - SiC. El método de producción industrial de carburo de silicio consiste en refinar arena de cuarzo y coque de petróleo de alta-calidad en un horno de resistencia. Los bloques de carburo de silicio refinados se procesan para obtener productos de diversos tamaños de partículas mediante trituración, lavado con base ácida, separación magnética, cribado o selección de agua.
El carburo de silicio tiene cuatro áreas de aplicación principales, a saber: cerámica funcional, materiales refractarios avanzados, abrasivos y materias primas metalúrgicas. Los materiales gruesos de carburo de silicio ya se pueden suministrar en grandes cantidades y no pueden considerarse productos de alta-tecnología, mientras que la aplicación de nanoescalapolvos de carburo de silicioLos países con un contenido tecnológico extremadamente alto no pueden generar economías de escala en el corto plazo.
Aplicación principal: Se utiliza para cortar cables de silicio monocristalino de 3 a 12 pulgadas, silicio policristalino, arseniuro de potasio, cristales de cuarzo, etc. Materiales de procesamiento de ingeniería para la industria solar fotovoltaica, la industria de semiconductores y la industria de cristales piezoeléctricos.
Se utiliza en campos como semiconductores, pararrayos, componentes de circuitos, aplicaciones de alta-temperatura, detectores ultravioleta, materiales estructurales, astronomía, frenos de disco, embragues, filtros de partículas diésel, pirómetros de alambre fino, películas cerámicas, herramientas de corte, elementos calefactores, combustibles nucleares, joyería, acero, equipos de protección, portadores de catalizadores, etc.
Herramientas abrasivas y abrasivas:
Se utiliza principalmente para esmerilar y pulir muelas abrasivas, papeles de lija, correas de arena, piedras de aceite, bloques de esmerilado, cabezales de esmerilado, pastas de esmerilado, así como silicio monocristalino, silicio policristalino y cristales piezoeléctricos en la industria electrónica para productos fotovoltaicos.
Industria química:
Puede utilizarse como desoxidante para la fabricación de acero y modificador de estructuras de hierro fundido. También se puede utilizar como materia prima para la fabricación de tetracloruro de silicio y es la principal materia prima para la industria de la resina de silicona.
El desoxidante de carburo de silicio es un nuevo tipo de desoxidante compuesto fuerte que reemplaza el polvo de silicio y el polvo de carbón tradicionales para la desoxidación. En comparación con el proceso original, tiene propiedades físicas y químicas más estables, buen efecto de desoxidación, tiempo de desoxidación reducido, ahorro de energía, mayor eficiencia en la fabricación de acero, mejor calidad del acero, menor consumo de materias primas y auxiliares, menor contaminación ambiental, mejores condiciones de trabajo y mayores beneficios económicos integrales de los hornos eléctricos, todos los cuales tienen un valor importante.
Material conductor térmico:
La conductividad térmica de los materiales de SiC, como la mayoría de los sólidos dieléctricos, está influenciada principalmente por la transmisión de ondas termoelásticas (conocidas como fonones). La conductividad térmica de los materiales de SiC depende principalmente de: 1) la cantidad de coadyuvantes de sinterización, la relación estequiométrica, las propiedades químicas y el espesor y la cristalinidad de los límites de grano relacionados; 2) Tamaño de grano; 3) Tipos y concentraciones de átomos de impurezas en cristales de SiC; 4) Atmósfera de sinterización; 5) Tratamiento térmico tras la sinterización, etc.
El SiC tiene excelentes propiedades como alta conductividad térmica, amplia banda prohibida, alta tasa de migración de saturación de electrones y alto campo eléctrico de ruptura crítica.
Su excelente rendimiento integral compensa las deficiencias de los materiales y dispositivos semiconductores tradicionales en aplicaciones prácticas y tiene amplias perspectivas de aplicación en campos como los vehículos eléctricos y los chips de comunicaciones móviles. Debido a su mayor confiabilidad, mayor temperatura de funcionamiento, menor tamaño y mayor tolerancia al voltaje, el SiC se puede aplicar a dispositivos de energía como tableros de transmisión principales, cargadores de automóviles y módulos de energía, lo que mejora en gran medida la eficiencia y aumenta la autonomía de los vehículos eléctricos. Al mismo tiempo, el SiC tiene buena conductividad térmica y el uso de dispositivos de potencia semiconductores de SiC puede reducir el tamaño de la batería y convertir la energía de manera más efectiva, reduciendo así el costo de ensamblaje de los dispositivos. Las cerámicas de SiC, como material cerámico estructural de alto-rendimiento, tienen excelentes propiedades térmicas y pueden usarse ampliamente en industrias de resistencia a altas temperaturas, calefacción e intercambio de calor.
Tres materiales resistentes:
Al utilizar las características de resistencia a la corrosión, resistencia a altas temperaturas, alta resistencia, buena conductividad térmica y resistencia al impacto del carburo de silicio, se puede utilizar para diversos revestimientos de hornos de fundición, componentes de hornos de alta-temperatura, placas, revestimientos, soportes, cucharas, crisoles de carburo de silicio, etc.
Por otro lado, los materiales de calentamiento indirecto de alta-temperatura se pueden utilizar en la industria de fundición de metales no-ferrosos, como hornos de destilación verticales, bandejas de hornos de destilación, tanques de electrólisis de aluminio, revestimientos de hornos de fusión de cobre, placas de arco para hornos de polvo de zinc, tubos de protección de termopares, etc.; Se utiliza para producir materiales cerámicos de carburo de silicio avanzados que son resistentes al desgaste-, a la corrosión- y a las altas-temperaturas; También se puede utilizar para fabricar boquillas de cohetes, palas de turbinas de gas, etc. Además, el carburo de silicio también es uno de los materiales ideales para calentadores de agua solares en carreteras, pistas de aviones, etc.
Acero:
Al utilizar las características de resistencia a la corrosión, resistencia al choque térmico, resistencia al desgaste y buena conductividad térmica del carburo de silicio, su uso en revestimientos de altos hornos de gran tamaño ha mejorado su vida útil.
Beneficio metalúrgico:
Polvo de carburo de silicioTiene una dureza solo superada por el diamante y tiene una fuerte resistencia al desgaste. Es un material ideal para tuberías-resistentes al desgaste, impulsores, cámaras de bombas, ciclones y revestimientos de tolvas de minería. Su resistencia al desgaste es de 5 a 20 veces mayor que la del hierro fundido y el caucho, y también es uno de los materiales ideales para las pistas de aviación.
Conservación de energía:
Al utilizar una buena conductividad térmica y estabilidad como intercambiador de calor, el consumo de combustible se reduce en un 20 %, se ahorra combustible en un 35 % y la productividad aumenta entre un 20 y un 30 %.
El tamaño y la composición de las partículas abrasivas deberán cumplir con GB/T2477-83. El método para determinar la composición del tamaño de partículas de los abrasivos deberá cumplir con GB/T2481-83.
Joyas:
La moissanita sintética, también conocida como moissanita sintética o sílice de carbono sintética (composición química SiC), tiene una dispersión de 0,104, que es más grande que el diamante (0,044) y un índice de refracción de 2,65-2,69 (2,42 para el diamante). Tiene el mismo brillo que el diamante y un "color fuego" más fuerte, más cercano al diamante que cualquier réplica anterior.
La historia del desarrollo depolvo de carburo de siliciomateriales cristalinos ha pasado más de cien años. En 1892, Acheson inventó un método para sintetizar polvo de SiC utilizando dióxido de silicio y carbono. En este método, se descubrió un subproducto, que era un material de SiC similar a una lámina. Sin embargo, estos materiales de SiC en forma de lámina-tenían baja pureza y tamaño pequeño, y no podían usarse para preparar dispositivos semiconductores. Hasta 1955, Lel cultivó con éxito cristales de SiC relativamente puros mediante tecnología de sublimación, también conocida como método Lely. Sin embargo, debido al pequeño tamaño y las importantes diferencias de rendimiento de los materiales en láminas de SiC preparados mediante el método Lely, no puede convertirse en una tecnología comercial para cultivar monocristales de SiC.
Durante el período 1978-1981, Tarov y Tsvetkov realizaron mejoras basándose en el método Lely introduciendo un cristal semilla en el horno de sublimación y diseñando un gradiente de temperatura adecuado basado en consideraciones termodinámicas y cinéticas para controlar el transporte de material desde la fuente de SiC hasta el cristal semilla. Este proceso de crecimiento se denomina método Lely mejorado, también conocido como método de sublimación de cristales semilla o método de transferencia física de vapor (PVT). Las personas pueden obtener cristales de SiC con diámetros mayores y menor densidad de defectos mediante este método. Con la mejora continua de la tecnología de crecimiento, las empresas que han logrado la industrialización utilizando este método incluyen a Cree de los Estados Unidos, Dowcorning, SiCrystal de Alemania, Nippon Steel de Japón y Shandong Tianyue y Tianke Heda de China.
Debido a su bajo contenido natural, el carburo de silicio es principalmente artificial. El método común es mezclar arena de cuarzo con coque, utilizar dióxido de silicio y coque de petróleo, agregar sal y aserrín, colocarlo en un horno eléctrico, calentarlo a una temperatura alta de alrededor de 2000 grados C y obtener micropolvo de carburo de silicio mediante diversos procesos químicos.
El carburo de silicio (SiC) se ha convertido en un abrasivo importante debido a su alta dureza, pero su rango de aplicación supera el de los abrasivos generales. Por ejemplo, su resistencia a altas temperaturas y su conductividad térmica lo convierten en uno de los materiales preferidos para hornos de túnel o hornos lanzadera, y su conductividad lo convierte en un importante elemento calefactor eléctrico.
El primer paso en la preparación de productos de SiC es preparar bloques de fundición de SiC, también conocidos como partículas de SiC. Debido a la presencia de C y superduras, las partículas de SiC alguna vez se denominaron arena de diamante. Sin embargo, cabe señalar que su composición es diferente a la de la arena de diamante natural (piedra de granada). En la producción industrial, los bloques de fundición de SiC se fabrican normalmente a partir de materias primas como cuarzo y coque de petróleo, con materiales auxiliares de recuperación y materiales de desecho. Después de la molienda y otros procesos, se mezclan con materiales de horno con proporciones razonables y tamaños de partículas apropiados (para ajustar la permeabilidad de los materiales del horno, se debe agregar una cantidad adecuada de aserrín y, cuando se prepara carburo de silicio verde, se debe agregar una cantidad adecuada de sal) y se preparan a altas temperaturas.
El equipo térmico para la preparación de bloques de fundición de SiC a alta-temperatura es un horno eléctrico de carburo de silicio especializado, que consta de un fondo de horno, paredes extremas con electrodos incrustados en la superficie interior, paredes laterales desmontables y un cuerpo central del horno (nombre completo: el elemento calefactor cargado eléctricamente en el centro del horno eléctrico, generalmente instalado en el centro del material del horno con polvo de grafito o coque de petróleo en una determinada forma y tamaño, generalmente circular o rectangular. Sus dos extremos están conectados a los electrodos). El método de cocción utilizado en este horno eléctrico se conoce comúnmente como cocción de pólvora enterrada. Tan pronto como se enciende, comienza el calentamiento. La temperatura del núcleo del horno es de aproximadamente 2500 grados, o incluso más (2600-2700 grados).
Cuando la carga del horno alcanza los 1450 grados, comienza la síntesis de SiC (pero el SiC se forma principalmente a 1800 grados o más) y se libera CO. Sin embargo, cuando la temperatura es mayor o igual a 2600 grados, el SiC se descompondrá y el Si descompuesto reaccionará con el C en la carga del horno para formar SiC. Cada grupo de hornos eléctricos está equipado con un conjunto de transformadores, pero durante la producción, sólo se suministra energía a un único horno eléctrico para ajustar el voltaje de acuerdo con las características de la carga eléctrica para mantener una potencia básicamente constante. Los hornos eléctricos de alta potencia deben calentarse durante aproximadamente 24 horas y, después de un corte de energía, la reacción para generar SiC básicamente se completa. Después de un período de enfriamiento, se pueden retirar las paredes laterales y luego se pueden retirar gradualmente los materiales del horno.
Después de la calcinación a alta-temperatura, los materiales del horno desde el exterior hacia el interior son los siguientes:
Material sin reaccionar (que sirve como aislamiento en el horno), carburo de silicio con oxígeno (material semirreactivo, compuesto principalmente de C y SiO), capa de unión (una capa de material fuertemente unida, compuesta principalmente de C, SiO2, 40%~60% SiC y carbonatos de Fe, Al, Ca, Mg), capa amorfa (compuesta principalmente de 70%~90% SiC, que es SiC cúbico o - SiC, y el resto son carbonatos). de C, SiO2, Fe, A1, Ca, Mg) y una capa de SiC de segundo grado (compuesta principalmente de 90%~95% SiC, que ha formado SiC hexagonal, pero los cristales son pequeños y frágiles). No se puede utilizar como abrasivo), SiC de primer grado (contenido de SiC<96%, and it is a coarse crystal of hexagonal SiC or α - SiC), and furnace core graphite.
En las capas de materiales-mencionadas anteriormente, los materiales sin reaccionar y una porción de los materiales de la capa de carburo de silicio con oxígeno generalmente se recolectan como materiales gastados, mientras que otra porción de los materiales de la capa de carburo de silicio con oxígeno se recolectan junto con materiales amorfos, productos secundarios y algunos materiales de unión como materiales reciclados. Algunos materiales adhesivos que están fuertemente unidos, tienen bloques de gran tamaño y contienen muchas impurezas se desechan. Los productos de primera calidad se someten a clasificación, trituración gruesa, trituración fina, tratamiento químico, secado y cribado, y separación magnética para convertirse en partículas de SiC negras o verdes de varios tamaños de partículas. Para producir micropolvo de carburo de silicio,polvo de carburo de siliciotambién necesita pasar por un proceso de selección de agua; Para fabricar productos de carburo de silicio, también es necesario pasar por procesos de moldeo y sinterización.
Preguntas frecuentes
¿Para qué se utiliza el carburo de silicio?
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Históricamente, los fabricantes utilizan carburo de silicio en entornos de alta-temperatura para dispositivos como rodamientos, componentes de maquinaria de calefacción, frenos de automóviles e incluso herramientas para afilar cuchillos. En aplicaciones de electrónica y semiconductores, las principales ventajas del SiC son: Alta conductividad térmica de 120-270 W/mK.
¿Es seguro tocar el carburo de silicio?
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* El carburo de silicio puede irritar los ojos y la nariz al entrar en contacto. *Existe evidencia limitada de que el carburo de silicio causa cáncer en animales. Puede causar cáncer de pulmón. * Muchos científicos creen que no existe un nivel seguro de exposición a un carcinógeno.
¿Por qué el carburo de silicio es tan caro?
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Muy bien, entonces, ¿qué es lo que realmente hace que las obleas de carburo de silicio sean tan caras? Básicamente, todo se reduce a cuatro cosas importantes. El grafito, el material que mantiene todo unido en el cristal semilla de Furness, el ADN del posprocesamiento de la oblea, todo el corte, pulido y limpieza que convierte el cristal en bruto en algo utilizable.
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