Свойства карбида кремния SiC

Нахождение в природе

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом, по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л.
Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO2 (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния, — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде.

Формы нахождения в природе

Монокристалл муассанита (~1 мм в размере)
Природный карбид кремния — муассанит можно найти только в ничтожно малых количествах в некоторых типах метеоритов и в месторождениях корунда и кимберлита. Практически любой карбид кремния, продаваемый в мире, в том числе и в виде муассанитового украшения, является синтетическим. Природный муассанит был впервые обнаружен в 1893 году в виде небольших шестиугольных пластинчатых включений в метеорите Каньон Диабло в Аризоне Фердинандом Анри Муассаном, в честь которого и был назван минерал в 1905 году[9]. Исследование Муассана о естественном происхождении карбида кремния было изначально спорным, потому что его образец мог быть загрязнён крошкой карбида кремния от пилы (в то время пилы уже содержали данное вещество)[10].

Хоть карбид кремния и является редким веществом на Земле, он широко распространён в космосе. Это вещество встречается в пылевых облаках вокруг богатых углеродом звёзд, также его много в первозданных, не подвергшихся изменениям, метеоритах (почти исключительно в форме бета-полиморфа). Анализ зёрен карбида кремния, найденных в углеродистом хондритовом метеорите Мёрчисон, показал аномальное изотопное соотношение углерода и кремния, что указывает на происхождение данного вещества за пределами Солнечной системы: 99 % зёрен SiC образовалось около богатых углеродом звёзд, принадлежащих к асимптотической ветви гигантов[11]. Карбид кремния можно часто обнаружить вокруг таких звёзд по их -спектрам[12].

Современность

В конце XX был изготовлен первый кристалл карборунда, до этого он был известен только в виде порошка. Как только появилась возможность синтезировать кристалл — его синтезировали. Результат оказался поразительным. По многим показателям карборунд превосходил алмаз.

• степень светопреломления на четверть выше;
• дисперсия — в два с половиной.

То есть он лучше блестит и даёт больше радужных бликов. Казалось бы — вот она, удача. Его действительно признали лучшей имитацией алмаза. Но в массовым он так и не стал. Делать ювелирные изделия с карборудном с точки зрения коммерции бессмысленно.

Производство украшений из камня слишком сложное и затратное дело. Крупный образец будет стоить порядка 500 долларов за карат. Сомнительно, что найдутся любители покупать искусственные камни за такие деньги. Даже если они высокотехнологичные и сверхблестящие. Сейчас кристаллы карбида кремния делает только одна американская компания, а в продаже он встречается реже, чем бриллиант.

Теоретически камень должен быть красивым: блестящий, сияющий, с радужной игрой света на гранях.

Но ценители камня его не очень ценят. На то есть несколько причин:

• яркие переливы света непривычны глазу и скорее раздражают, создают впечатление безвкусности и кичливости;
• прозрачных и чистых по цвету камней нет. Все они имеют пыльный зеленоватый оттенок. Химики пока с этим ничего поделать не могут;
• лучики света, которые отбрасывает бриллиант плотные, яркие, с насыщенными оттенка. Карборунд даёт более прозрачные и тёмные отблески.

Как видим, искусственному муассаниту не удалось превзойти алмаз и вытеснить его с ювелирных прилавков.

Непрозрачные недорогие образцы предприимчивые итальянцы продают как куски лавы Везувия.

Однако у карборунда есть ряд преимуществ:

• он не оставляет на себе жировых отпечатков. Если долго щупать бриллиант, он покроется жировой плёнкой и блестеть перестанет. Карборунд к этому невосприимчив. сколько его не трогай — он продолжит блестеть;
• поскольку карборунд выращен искусственно, он лишён дефектов. Его ограняют в идеальные, математически точно выверенные кристаллы. К тому же на материале можно не экономить. С бриллиантами это не всегда проходит. Иногда хочет сохранить вес камня и умышленно нарушает пропорции, иногда обходит дефекты. Браком это не считаются. Такие бриллианты хоть и стоят ниже, но на рынок поступают;
• в экстремальных температурах (около 1000 градусов Цельсия) алмаз горит, а карборунд нет. Вы можете кинуть платиновое кольцо в угольную печь и оно не пострадает.

Кроме этого он прочный, лишь незначительно уступает алмазу. К тому же он инертный — не вступает в реакцию с другими веществами (кроме плавиковой, азотной и ортофосфорной кислот), отличается высокой теплопроводностью, плотностью электрического тока и электрическим напряжением, имеет малый коэффициент теплового расширения и не имеет фазовых переходов, разрушающих кристалл.

Сейчас карборунд производят методом термического разложения полиметилсилана при низких температурах в присутствии инертного газа. Полученный материал применяется во многих сферах жизни.

Применяется в качестве:

• абразив для шлифования и напыление для пил;
• сырьё для режущих инструментов;
• полупроводник в электротехнической промышленности;
• катализатор в химической промышленности;
• подшипники и элементы оборудования в плавильных печах, поскольку он выдерживает нагрузку до 1700 градусов Цельсия;
• сырьё для производства бронежилетов;
• основа для сверхмощных светодиодов;
• сырьё для изготовления высококачественных дисковых тормозов;
• сырьё для создания зеркальных деталей в оптических системах.

Это далеко не всё. Камень используется в ядерной энергетике, строительстве, органическом синтезе.

Структура и свойства

Известно примерно 250 кристаллических форм карбида кремния. Полиморфизм SiC характеризуется большим количеством схожих кристаллических структур, называемых политипами. Они являются вариациями одного и того же химического соединения, которые идентичны в двух измерениях, но отличаются в третьем. Таким образом, их можно рассматривать как слои, сложенные в стопку в определённой последовательности.

Альфа-карбид кремния (α-SiC) является наиболее часто встречающимся полиморфом. Эта модификация образуется при температуре свыше 1700 °C и имеет гексагональную решётку, кристаллическая структура типа вюрцита.

Из чего получают карборунд

Главная проблема при создании алмазов – длительность и сложность процесса. В природных условиях камень образуется тысячи лет под колоссальным давлением от 45000 до 60000 атмосфер и при температуре свыше 900 градусов, поэтому повторить весь процесс в точности с природным практически невозможно.

Первое документальное описание попытки синтезировать бриллианты датируется 1823 годом, когда наш соотечественник Василий Каразин в результате опытов с нагреванием и перегонкой сухой древесины получил неизвестные кристаллы.

Однако официально считается, что впервые камень, с наиболее похожими на бриллианты свойствами, открыл французский исследователь и нобелевский лауреат Анри Муассан

Однако официально считается, что впервые камень, с наиболее похожими на бриллианты свойствами, открыл французский исследователь и нобелевский лауреат Анри Муассан. В 1905 году полученный им кристалл карбида кремния, в честь создателя, начал именоваться муассанит. Карбид кремния встречается в природе и за свое космическое происхождение часто именуется звездной пылью, но его естественный размер очень мал и имеет специфическую окраску.

Не оставляя желание создать идеальные бриллианты в лабораторных условиях ученые научились синтезировать более крупные и чистые камни. Искусственно выращенный муассанит нередко называется карбокорунд.

Большой вклад в создание искусственных бриллиантов внесли российские и советские ученые. Основную массу синтетических камней производят по разработанным ими технологиям. Сегодня муассанит получают нескольким способами, однако наиболее чистые и качественные кристаллы карбокорунда рождаются путем многочасового нагревания при температуре 2 400 ºС кристаллического карбида кремния с участием металлического катализатора (железа).

В промышленных масштабах искусственные алмазы, имеющие крупнозернистую структуру, начали производить с середины прошлого века.

Кроме описанного выше термобарического метода, при их создании используется способ осаждения кристаллов из плазмы газообразного углерода под воздействием электрической дуги и редкая детонационная технология, использующая энергию взрывной волны.

Для выращивания бриллиантов в лабораторных условиях используют вещества с высокой концентрацией углерода: очищенную сажу или уголь, графит и т.д. В зависимости от того каким образом был получены такие бриллианты, существует деление на НРНТ-и CVD-алмазы.

На сегодняшний день единственным производителем на рынке карбида кремния в России является ОАО «Волжский абразивный завод», основанный в 1961 г. также считающийся самым крупным производителем карбида кремния в Европе и крупнейшим производителем абразивного инструмента на керамической связке в России и СНГ. Из-за редкости нахождения в природе муассанита карбид кремния, как правило, имеет искусственное происхождение. Основные компоненты карбида кремния – кварцевый песок и кокс. Ключевыми факторами, определившими местоположение волжского завода явились близость к Волжской ГЭС и наличие рядом месторождения кварцевого сырья . Сегодня на Волжском абразивном заводе выращивают кристаллы карбида кремния двух видов: зеленые и черные. Волжский карбид кремния востребован в первую очередь своим отменным качеством, которое позволяет конкурировать с одним из основных мировых производителей карбида кремния – Китаем.

Биологическая роль

Для некоторых организмов кремний является важным биогенным элементом. Он входит в состав опорных образований у растений и скелетных — у животных. В больших количествах кремний концентрируют морские организмы — диатомовые водоросли, радиолярии, губки. Большие количества кремния концентрируют хвощи и злаки, в первую очередь — подсемейства Бамбуков и Рисовидных, в том числе — рис посевной.

Он также используется для создания клеточных стенок некоторых организмов и является центром реактивности дюжины или около того ферментов, ответственных за «обработку» диатомового кремнезема y некоторых ракообразных.

Кремний встречается во многих растениях, которые необходимы для правильного развития, но не было доказано, что это необходимо для развития всех видов. Обычно его присутствие повышает устойчивость к вредителям, особенно грибам, препятствует их проникновению в ткани растений, насыщенных кремнеземом. Точно так же в случае животных необходимость в кремнии была продемонстрирована для шестилучевых губок, но, хотя это происходит в телах всех животных, это, как правило, не оказывается необходимым для них. У позвоночных это происходит в больших количествах в волосах и перьях (например, овечья шерсть содержит 0,02—0,08 % SiO2). Мышечная ткань человека содержит (1—2)⋅10−2 % кремния, костная ткань — 17⋅10−4 %, кровь — 3,9 мг/л. С пищей в организм человека ежедневно поступает до 1 г кремния.

В организме человека

Доказано, что кремний имеет важное значение для здоровья человека, в частности, для ногтей, волос, костей и кожи. Исследования показывают, что женщины в пременопаузе с более высоким потреблением биодоступного кремния имеют более высокую плотность костной ткани, а также, что добавки кремния может увеличить объем и плотность кости у пациентов с остеопорозом

Организм человека нуждается в 20—30 мг кремния в день. Беременным женщинам, людям после операций на костях и пожилым людям требуется более высокая доза, так как количество этого элемента в органах уменьшается с возрастом. Это происходит главным образом в соединительной ткани, из которой строятся сухожилия, слизистые оболочки, стенки кровеносных сосудов, клапаны сердца, кожа и костно-суставная система. Кремний удаляет токсичные вещества из клеток, предпочтительно воздействует на капилляры, герметизирует их, повышает прочность костной ткани, укрепляет защитные силы организма от инфекций, предотвращает преждевременное старение. Снимает раздражения и воспаления кожи, улучшая её общий вид и предотвращая вялость, уменьшает выпадение волос, ускоряет их рост, укрепляет ногти. Поскольку кремний участвует в формировании костной ткани, обеспечивая эластичность кровеносных сосудов, участвующих в поглощении кальция из рациона и роста волос и ногтей, его дефицит в организме человека может вызвать костные аномалии, общее замедление роста, бесплодие, отсутствие развития и остеопороз. Диоксид кремния в нормальных условиях всегда является твёрдым биоинертным, неразлагаемым веществом, склонным к образованию пыли, состоящей из частиц с острыми режущими кромками. Вредное действие диоксида кремния и большинства силицидов и силикатов основано на раздражающем и фиброгенном действии, на накоплении вещества в ткани лёгких, вызывающем тяжёлую болезнь — силикоз. Для защиты органов дыхания от пылевых частиц используются противопылевые респираторы. Тем не менее, даже при использовании средств индивидуальной защиты носоглотка, горло у людей, систематически работающих в условиях запыленности соединениями кремния и особенно монооксидом кремния, имеют признаки воспалительных процессов на слизистых оболочках. Нормы предельно допустимых концентраций по кремнию привязаны к содержанию пыли диоксида кремния в воздухе. Это связано с особенностями химии кремния:

• Чистый кремний, равно как карбид кремния, в контакте с водой или кислородом воздуха образует на поверхности непроницаемую плёнку диоксида кремния ( SiO2), которая пассивирует поверхность;
• Многие кремнийорганические соединения в контакте с кислородом воздуха и водяными парами окисляются или гидролизуются с образованием в конечном итоге диоксида кремния;
• Монооксид кремния ( SiO) на воздухе способен (иногда со взрывом) доокисляться до высокодисперсного диоксида кремния.

Применение материала

Основной областью применения карбида кремния является электроника и энергетика. Это вещество используется при производстве полупроводниковых механизмов, светодиодов, резисторов, транзисторов и счетчиков энергии. Эти приспособления обладают высокой прочностью и могут стабильно функционировать в течение 10 лет. Они применяются в высокочастотной электронике. Изделия из карбида кремния отличаются следующими свойствами:

1. Обладают большой шириной запрещенной зоны;
2. Могут функционировать при высоких температурах (до 600 °C);
3. Располагают повышенной теплопроводностью, в отличие от приборов, выполненных из арсенида галлия и иных минералов.
4. Устойчивы к радиации и воздействию электрических зарядов.

Благодаря высокой огнеупорности и теплостойкости материала, он активно применяется в металлургии и химической промышленности. Из твердого раствора карборунда изготавливается множество нагревательных приборов, способны работать при высоких температурах (до 2000 °C). Эти приспособления могут функционировать в нейтральных или восстановленных средах. Нагревательные элементы активно используются при термообработке металлических деталей для керамических приборов и электронных компонентах.

Карбид кремния применяется в качестве абразива, что обусловлено высокой прочностью и низкой стоимостью химического соединения. При абразивной обработке этот материал используется в следующих процессах:

• шлифование;
• ламинирование бумажных изделий;
• пескоструйная обработка;
• хонингование;
• водоструйная резка.

Карборунд нашел широкое применение в производстве конструкционных материалов. Он обладает стойкостью к физическим нагрузкам и активно используется при изготовлении пуленепробиваемых жилетов и дисковых тормозов, устанавливаемых на транспортном средстве. С 1990-х гг. из карборунда изготавливают прочные газовые турбины. Они устойчивы к высоким температурам и ударным нагрузкам.

Карбид кремния

Цена: от 209,40р с НДС за кг

Минимальная партия: 100 кг

Карбид кремния – свойства и применение Карбид кремния SiC (или карборунд) – тугоплавкое, химически стойкое, твердое вещество, обладающее полупроводниковыми свойствами. В составе химического соединения примерно 70% кремния Si и около 30% углерода C. В чистом виде карборунд бесцветен, от наличия примесей зависит цвет и тип проводимости кристаллов: p-типа (бериллий, галлий, бор) или n-типа (фосфор, азот). Карбид кремния редко встречается в природе (муассанит), поэтому в основном он искусственного происхождения. Получают с помощью спекания кремнезема с углеродом в электроплавильных печах с угольными электродами при температурах порядка 1500-2400 градусов. Кристаллическая решетка – атомная. При низкой плотности (3,2 г/см^3) карбид кремния обладает исключительной твердостью. В этом он уступает только алмазу и боразону (карбиду бора). Температура плавления более 2830 градусов. Карборунд устойчив к окислению, минеральным кислотам, инертен в среде азота, углекислого газа и водорода. Обладает высокой стойкостью к радиационной среде. Широкое применение карбид кремния получил в электротехнике. Полупроводниковые приборы, изготовленные на его основе, способны сохранять стабильность и надежность работы при температурах до 600 градусов. Это становится возможным благодаря большому значению ширины запрещающей зоны (в среднем 2,39 эВ). Используется также для изготовления радиационных светодиодов, солнечных элементов, нагревателей, терморезисторов, грозоразрядников и электроизолирующих устройств. В металлургической и сталелитейной промышленности, благодаря таким свойствам, как стойкость к термическому воздействию и высокая химическая стабильность, карборунд используется в качестве огнеупорного материала. С помощью волокон из этого материала можно измерить температуру до 2500К. Твердость и износостойкость карбида кремния, а также его низкая стоимость, используется в производстве шлифматериалов. Большая режущая способность подходит для обработки таких материалов, как стекло, керамика, резина, чугун, камень, титан и различные полимеры. Высокая теплопроводность делает его прекрасным материалом для создания подшипников. На защите вооружения применяется в качестве композитной брони военной техники и противопульных жилетов. По внешнему виду муассанит похож на алмаз и в ювелирном деле используется, как его заменитель. Диски из композитного материала на основе карборунда применяются на спортивных автомобилях. Карбид кремния нашел свое место и в астрономической оптике. Будущее карбида кремния довольно оптимистично. Дешевизна материала, его уникальные электрофизические характеристики и развитие нанотехнологий открывают широкую перспективу для его использования.

Получение карбида кремния

Наибольшее количество природного происхождения карбида кремния содержится в космическом пространстве: на пылевых облаках, окружающих звезды, в метеоритах. На Земле этот материал присутствует только на месторождениях кимберлита или корунда, что усложняет процесс его добычи в промышленных масштабах. По этой причине карборунд, используемый в современной индустриальных сферах и бытовых условиях, является искусственным.

Самым распространенным способом получения этого химического соединения является нагревание двуокиси кремния углеродом в специализированных печах, работающих на электричестве. Вещество нагревается до температуры 1800-2300 °C.Источниками кремния являются кварцевый песок, очищенный от примесей, и антрацит. Для улучшения газопроницаемости материала используются опилки из древесины. Цвет синтетического карборунда изменяется при помощи добавления хлорида натрия (поваренной соли). Увеличение плотности материала производится при помощи прессования. После этих процессов структурные частицы меняют свое местоположения, что приводит к деформации твердого раствора.

Также данное вещество получают при помощи следующих методов:

1. Сублимация. Это технология предоставляет выращивать зерна карбида кремния природных материалов. Рост кристаллов осуществляется в графитовых тиглях из газовой фазы. Получить карборунд при помощи этой технологии можно из инертных газов, нагретых до температуры 2600 °C.
2. Эпитаксия. Этот способ используется для получения твердых растворов карбида кремния. В нем используется водород, предварительно очищенный от примесей при помощи диффузионных методов. Химический элемент вступает в реакцию со свободным углеродом, что приводит к образованию полупроводниковых пленок.
3. Синтез. Сырьем для получения карборунда является графит, измельченный до порошкообразного состояния. Также для получения необходимого материала можно использовать сажу с размером частиц не более 20 мкм. Синтез химических веществ происходит в твердой фазе, что обусловлено большим расстоянием между атомами углерода и кремния.
4. Приготовление шихты. Для этого метода требуются компоненты, содержащие большое количество углерода и кремния. В качестве сырья могут использоваться нанопорошки, углеводы или многоатомные спирты. Приготовление шихты осуществляется в деионизованной воде в течение 5,5 часов. Материал нагревается ступенчато до температуры 1650 °С.

Для промышленных нужд чаще всего изготавливают карбиды зеленого и черного цветов. Особенности их химического состава определены в ГОСТ 26327-84. В нем указаны 4 марки карбида кремния: 53С, 54С, 63С и 64С.

Карбид кремния черный

Карбид кремния черный является особо прочным абразивным материалом, который получают вследствие искусственного соединения углерода и кремния. Сплавление происходит в графитовой электрической печи при температуре выше 1600 градусов. В результате получается порошок с такими свойствами, которые позволяют использовать его во многих сферах промышленности. Купить данный абразив по низкой цене вы можете у нас, в компании Литпромабразив. У нас представлен карбид кремния черный, который имеет сертификат соответствия ГОСТ Украины.

Сфера применения карбида кремния более, чем просто широкая. Он нашел свое место в обрабатывающей индустрии. Его твердость позволяет шлифовать все возможные поверхности хрупких, твердых, вязких материалов, дерева, цветные металлы, кирпич, стекло и так далее. Благодаря характерной плотности отлично подходит для пескоструйной обработки и водоструйной резки. Также карбид кремния используют для производства шлифшкурки. Плотность абразива составляет 3.21 г/см3, твёрдость – 33 ГПа.

Компания Литпромабразив предлагает быструю доставку карбида кремния во все регионы РФ авто- и ж/д транспортом. Возможна также выгрузка непосредственно на предприятии.

Шлифовальное зерно
Марка	Зернистость ГОСТ	Зернистость FEPA	Химический состав			Зерновой состав										Магнитный материал	Насыпная плотность г/см3	Разрушаемость %, не более
			SiC (не менее)	Fe (не более)	С (не более)	1	Остаток на сите	2	Остаток на сите	3	Остаток на сите	3,4	Остаток на сите	3,4,5	Остаток на сите
54C	160	F12	97,5	0,2	0,4	2,8	0	2	20%	1,7	45%	1,4	70%	1,18	—	—	—	—
54C	—	F14	97,5	0,2	0,4	2,36	0	1,7	20%	1,4	45%	1,18	70%	1	—	—	1,31	75
54C	125	F16	97,5	0,2	0,4	2	0	1,4	20%	1,18	45%	1	70%	0,85	—	—	1,35	75
54C	100	F20	97,5	0,2	0,4	1,7	0	1,18	20%	1	45%	0,85	70%	0,71	—	—	1,35	75
54C	—	F22	97,5	0,2	0,4	1,4	0	1	20%	0,85	45%	0,71	70%	0,6	—	—	1,37	75
54C	80	F24	97,5	0,2	0,4	1,18	0	0,85	25%	0,71	45%	0,6	65%	0,5	—	—	1,37	75
54C	63	F30	98	0,2	0,3	1	0	0,71	25%	0,6	45%	0,5	65%	0,425	—	—	1,4	75
54C	50	F36	98	0,2	0,3	0,85	0	0,6	25%	0,5	45%	0,425	65%	0,355	—	—	1,4	47
54C	—	F40	98	0,2	0,3	0,71	0	0,5	30%	0,425	40%	0,355	65%	0,3	—	—	1,4	47
54C	40	F46	98	0,2	0,3	0,6	0	0,425	30%	0,355	40%	0,3	65%	0,25	—	—	1,4	47
54C	32	F54	98	0,2	0,3	0,5	0	0,355	30%	0,3	40%	0,25	65%	0,212	—	—	1,4	47

Шлифовальные порошки
Марка	Зернистость ГОСТ	Зернистость FEPA	Химический состав			Зерновой состав										Магнитный материал	Насыпная плотность г/см3	Разрушаемость %, не более
			SiC (не менее)	Fe (не более)	С (не более)	1	Остаток на сите	2	Остаток на сите	3	Остаток на сите	3,4	Остаток на сите	3,4,5	Остаток на сите
54C	25	F60	97,5	0,2	0,4	0,425	0	0,3	30%	0,25	40%	0,212	65%	0,18	—	—	1,4	47
54C	20	F70	97,5	0,2	0,4	0,355	0	0,25	25%	0,212	40%	0,18	65%	0,15	—	—	1,35	47
54C	—	F80	97,5	0,2	0,4	0,3	0	0,212	25%	0,18	40%	0,15	65%	0,125	—	—	1,35	47
54C	16	F90	97	0,3	0,5	0,25	0	0,18	20%	0,15	40%	0,125	65%	0,106	—	—	1,33	0,08
54C	12	F100	97	0,3	0,5	0,212	0	0,15	20%	0,125	40%	0,106	65%	0,075	—	—	1,33	0,08
54C	10	F120	97	0,3	0,5	0,18	0	0,125	20%	0,106	40%	0,09	65%	0,063	—	—	1,27	0,08
54C	8	F150	97	0,3	0,5	0,15	0	0,106	15%	0,075	40%	0,063	65%	0,045	—	—	1,27	0,08
54C	6	F180	96	0,6	0,4	0,125	0	0,09	15%	0,075	—	0,063	40%	0,053	0,65	—	1,27	0,07
54C	5	F220	97	0,3	0,4	0,106	0	0,075	15%	0,063	—	0,053	40%	0,045	0,6	—	1,27	0,07

Микро шлифовальные порошки
Марка	Зернистость ГОСТ	Зернистость FEPA	Химический состав			Зерновой состав						Магнитный материал	Насыпная плотность г/см3	Режущая способность
			SiC (не менее)	Fe (не более)	С (не более)	Размер зерна на 3%-ой точке кривой распределения Ds3 не более, мкм		Размер зерна на 50%-ой точке кривой распределения Ds50 не более, мкм		Размер зерна на 94%-ой точке кривой распределения Ds94 не более, мкм
54C	М50	F240	98	0,3	0,4	Ds3	70	Ds50	44,5±2,0	Ds94	28	—	—	0,068
54C	—	F280	98	0,3	0,4	Ds3	59	Ds50	36,5±1,5	Ds94	22	—	—	0,062
53C	М40	F320	97	0,3	0,4	Ds3	49	Ds50	29,2±1,5	Ds94	16,5	—	—	0,055
53C	М28	F400	97	0,3	0,4	Ds3	32	Ds50	17,3±1,0	Ds94	8	—	—	0,04
53C	М20	F500	97	0,3	0,4	Ds3	25	Ds50	12,8±1,0	Ds94	5	—	—	0,037
53C	М14	F600	97	0,3	0,4	Ds3	19	Ds50	9,3±1,0	Ds94	3	—	—	0,02
53C	М10	F800	96	0,4	0,5	Ds3	14	Ds50	6,5±1,0	Ds94	2	—	—	0,015
53C	М7	F1000	97	0,5	0,4	Ds3	10	Ds50	4,5±0,8	Ds94	1	—	—	0,014

Муассанит (карборунд)

Последней попыткой создания качественной синтетической имитации бриллианта оказались муассаниты

Говоря о муассаните, очень важно понимать разницу между природным минеральным образованием и его одноименным синтетическим аналогом

Минерал муассанит является природным, назван в честь его первооткрывателя, Анри Муассана (1852-1907), Нобелевского лауреата по химии (1906 год). Природный муассанит не пригоден для огранки в драгоценные камни из-за очень мелкого (максимум 2-3мм) размера зерен, темного непрозрачного света и исключительной редкости. Муассанит представляет из себя карбид кремния SiC, с гексагональной кристаллической структурой ( в отличие от кубической у алмаза)

Муассанит был синтезирован еще до того (1893), как был обнаружен (1905) в природе.

В 1987 году в лаборатории Cree Research (США) был найден способ синтеза бесцветного муассанита. Правда, до 1993 года эти камни не были совсем бесцветными, если выразиться точнее – они были в лучшем случае околобесцветными и соответствовали цвету не выше (у лучших образцов) I-J по шкале GIA для бриллиантов. В 1998 году была запатентована технология синтеза реально бесцветных муассанитов методом сублимации, и с тех пор эти камни имеют зарегистрированное торговое название “Charles & Colvard created Moissanite”

С момента появления на рынке в 1976 году CZ (фианитов в российском варианте) муассанит оказался наилучшим из известным симулянтов бриллианта. Однако натренированный глаз может легко отличить муассанит от “лучшего друга девушки”.

Из-за отличной от алмаза кристаллической структуры муассонит обладает очень сильным двупреломлением, которое в принципе невозможно для алмаза (бриллианта)

Из-за отличной от алмаза кристаллической структуры муассонит обладает очень сильным двупреломлением, которое в принципе невозможно для алмаза (бриллианта). Если посмотреть “сквозь” муассанит по углом к его верхней площадке, то ВСЕГДА будет хорошо заметно раздвоение граней павильона. То есть как бы грани будут выглядеть как на “размытой нерезкой фотографии”.

Надежным идентификатором муассанита является его относительная плотность (3.22 против 3.52 у бриллианта). В метилен иодиде более плотный бриллиант утонет, а менее плотный муассанит будет “плавать”.

“Точечный тест” не поможет из-за очень высокого коэффициента преломления у муассанита – не покажет отличие муассонита от бриллианта, но покажет отличие от природного или синтетического циркона.

Надежным способом гарантированной идентификации муассанитов является их нагрев до температуры свыше 230 градусов. При этой температуре все без исключения муассаниты окрашиваются в зеленовато-желтый или коричневый цвет, который пропадает немедленно после остывания.

Сфера применения

Древесный уголь используется в промышленности в следующих целях:

• для применения в составе фильтров;
• для плавки кристаллического кремния;
• для использования в металлургии (насыщение стали углеродом, получение чистых сплавов);
• для производства стекла, некоторых видов пластмасс, красок;
• для изготовления натурального красителя для пищевой промышленности;
• для изготовления активированного угля;
• для использования в сельском хозяйстве;
• для применения в качестве удобного бытового топлива для печей, каминов, мангалов.

При сжигании в печах и каминах данный вид топлива сгорает практически без языков пламени, обеспечивая ровный и интенсивный жар. Наиболее высоко ценится продукт марки А, который изготавливается из твердых пород древесины.

Свойства и описание камня карборунд

Карборунд, или муассанит – это камень, относящийся к классу полупроводникового бинарного химического соединения. Это карбид кремния, получаемый в искусственных условиях в течение 30-40 часов. Камень получают в результате плавления угля и песка. Характерен выраженный блеск, который есть у антрацита. Если камень попадает под прямые лучи солнца, он переливается всеми цветами радуги. Благодаря высокому показателю твердости (9,1 балла по шкале Мооса), карборунд может поцарапать любой минерал, кроме алмаза.

Это тугоплавкий самоцвет, характеризующийся устойчивостью к воздействию кислот и других агрессивных факторов. Не плавится при температуре свыше 1500 градусов по Цельсию. Также есть свойство преломлять свет. Выделают более 250 кристаллических форм карборунда, от которых зависит цветовая гамма. Камень не разрушается при интенсивном и продолжительном трении.

Формула и технология получения карборунда была запатентована Эдвардом Гудричем Ачесоном в 1893 году. Однако в 1842 году аналогичное соединение химических элементов было получено ученым Деспретзом.

Природный аналог встречается крайне редко. По сей день крупные залежи карборунда не удалось найти.

Отрасли применения карбида кремния

Казалось бы, что общего между искусственными алмазами, зимними шинами, дисковыми тормозами, солнечными батареями, бронежилетами и абразивными кругами? Оказывается, несмотря на всю странность такого ряда предметов, общее между ними есть: во всех этих изделиях применяется одно и то же химическое соединение. Речь идет о карбиде кремния (техническое название – карборунд). Карбид кремния – бинарное неорганическое химическое соединение кремния с углеродом (SiC). Кристалл чистого карбида кремния – бесцветный с алмазным блеском, тугоплавок, по твёрдости уступает лишь алмазу и нитриду бора, химически стоек. В природе встречается в виде чрезвычайно редкого минерала — муассанита. Впервые искусственно порошок карбида кремния был получен в 1893 году. В свою очередь благодаря уникальному сочетанию физико–химических свойств карбида кремния, он широко востребован в огромном количестве сфер, которые можно перечислять до бесконечности. Например, добавление карбида кремния в состав для изготовления шин, повышает их износостойкость и улучшает сцепление с дорогой, а уникальная термическая устойчивость этого соединения делает его пригодным для создания подшипников и частей оборудования для высокотемпературных печей. Также применяется в таких областях как машиностроение, атомная энергетика, на предприятиях оборонной, металлургической, пищевой, химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленностей.

Еще одной важной отраслью, которая использует карбид кремния является силовая электроника — это важная часть электроэнергетики в целом. В последнее десятилетие наметился существенный прогресс, как в технологии полупроводникового карбида кремния, так и технологии приборов на его основе. Происходит быстрая модернизация технологии выращивания монокристаллов, увеличение их размеров и улучшение их параметров. Уникальные свойства этого соединения вызывают интерес к карбиду кремния со стороны разработчиков элементной базы электроники в ряде ведущих стран мира.

Применение SiC[править]

Карборунд

техническое название карбида кремния используемого в технических целях в качестве абразива. Используется так же для изготовления деталей химической и металлургической аппаратуры, работающих в условиях высоких температур. Цвет карборунда может варьироваться от бесцветного, до зеленого или чёрного.

Карбид кремния является перспективным полупроводниковым материалом. Он представляет собой широкозонный полупроводник (ширина запрещённой зоны Eg=2,2÷3,2 эВ, в зависимости от модификации).

Тип проводимости карбида кремния зависит от примесей. Проводимость n

-типа получается при легировании азотом или фосфором, а проводимость
p
-типа — с помощью алюминия, бора, галлия или бериллия. От типа и количества примеси сильно зависит электропроводность полученного материала.

Использование карбида кремния перспективно в силовой и СВЧ электронике в связи с высокими рабочими температурами, электрической прочностью и хорошей теплопроводностью. Широкая запрещенная зона открывает возможность использования карбида кремния в качестве материала для изготовления высокоэффективных светодиодов, охватывающих весь видимый диапазон спектра. Использование карбида кремния в качестве полупроводникового материала в настоящее время только начинается в связи с трудностью получения его высококачественных монокристаллов.

Карбид кремния используется как компонент композитной брони, применяемой для защиты вооружения и военной техники, а также в виде составного элемента слоистой брони керамика/органопластик в производстве бронежилетов. В бронежилете «Кожа дракона», созданном компанией Pinnacle Armor, используются диски из карбида кремния.

Из карбида кремния делают искусственные драгоценные камни для ювелирных изделий. Как ювелирный камень карбид кремния называется «синтетический муассанит» или просто «муассанит». Муассанит похож на алмаз: он прозрачен и тверд (9—9,5 по шкале Мооса, по сравнению с 10 для алмаза), с показателем преломления 2,65—2,69 (по сравнению с 2,42 для алмаза).

Область применения

Стиль этого раздела неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Следует исправить раздел согласно стилистическим правилам Википедии.

Па́ры трения в узлах торцевого уплотнения насосных агрегатов используются для перекачки нефтепродуктов, сжиженного газа. Созданы и укомплектованы деталями (крыльчатка, вал, пары трения) из карбида кремния химически стойкие насосы для работы в агрессивных средах. Пары трения из карбида кремния, взамен пропитанных бельтинговых опор в узлах осевых опор погружных насосах

Карбид кремния также используется для изготовления сопел и форсунок для подачи газов в зону плавления стекла и металлов, спекания керамики.

• Сопла различных типоразмеров из карбида кремния: для пескоструйных установок;
• для высокотемпературных пескоструйных установок (температура песка около 1000 °C), используемых для очистки от нагара труб на предприятиях нефтедобывающей промышленности и нефтепереработки;

для факелов газовых печей, в том числе стекловарочных печей с длительностью непрерывной работы более 2 лет;

Конфузоры различных типоразмеров из карбида кремния для газовых стекловаренных печей для варки хрусталя

Плиты различных типоразмеров из карбида кремния для футеровки печей с рабочей температурой до 1400 °C в воздушной среде и до 2000 °C в вакууме;

В плавильных печах, где сплавляемый материал не реагирует с кремнием или карбидом кремния, карбид кремния заменяет платину и графит;

В индукционных печах по плавлению сплавов для корпусов часов,

тигли из карбида кремния,

• В ювелирных изделиях (синтетические кристаллы до 10 карат);
• Для изготовления бронепластин, для различных защитных систем;
• Считается перспективным материалом полупроводниковой промышленности: Используется для производства лазеров;
• Используется в производстве мощных светодиодов (до 9 ватт);
• Активно проходят эксперименты с использованием материала в микроэлектронике;

В качестве абразивов.

наряду с фианитом, используется в ювелирных украшениях, как дешёвый аналог алмаза, причём благодаря высоким показателю преломления и дисперсии по «игре света» муассанит даже превосходит алмаз. Тем не менее, муассанит во много раз дороже фианита и лишь в разы дешевле алмаза.

Изотопы и их применение

Основная статья: Изотопы кремния

Кремний состоит из стабильных изотопов 28Si (92,23 %), 29Si (4,67 %) и 30Si (3,10 %). Остальные изотопы являются радиоактивными.

Ядро 29Si (как и протон) имеет ядерный спин I = 1/2 и все шире используется в спектроскопии ЯМР. 31Si, образующийся при действии нейтронов на 30Si, имеет период полураспада равный 2,62 ч. Его можно определить по характеристическому β-излучению, и он очень удобен для количественного определения кремния методом нейтронно-активационного анализа. Радиоактивный нуклид 32Si имеет самый большой период полураспада (~170 лет) и является мягким (низкоэнергетическим) β-излучателем.

Получение

Свободный кремний получается при прокаливании мелкого белого песка (диоксида кремния) с магнием:

SiO2+2Mg → 2MgO+Si{\displaystyle {\mathsf {SiO_{2}+2Mg\ \rightarrow \ 2MgO+Si}}}

При этом образуется аморфный кремний

, имеющий вид бурого порошка.

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2коксом при температуре около 1800 °C в рудотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы).

Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей.

• Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg2Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают газообразный моносилан SiH4. Моносилан очищают ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C.
• Очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путём непосредственного хлорирования кремния. При этом образуются соединения состава SiCl4, SiHCl3 и SiH2Cl2. Их различными способами очищают от примесей (как правило, перегонкой и диспропорционированием) и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до 1100 °C.
• Разрабатываются более дешёвые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 г. к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора (вместо хлора); технологии, предусматривающие дистилляцию монооксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах.

Содержание примесей в доочищенном кремнии может быть снижено до 10−8—10−6 % по массе. Более подробно вопросы получения сверхчистого кремния рассмотрены в статье Поликристаллический кремний.

Способ получения кремния в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым.

В России технический кремний производится «ОК Русал» на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область); доочищенный по хлоридной технологии кремний производит группа «Nitol Solar» на заводе в г. Усолье-Сибирское.

Теплопроводность пенокарбида кремния различной плотности

В таблице представлены значения коэффициента теплопроводности (в Вт/(м·град)) пенокарбида кремния различной плотности в атмосфере аргона и в вакууме (до 10-3 мм. рт. ст.). Теплопроводность пенокарбида кремния указана при температуре от 1200 до 2000 К для плотностей 1280, 1050, 880 и 550 кг/м3.

По данным таблицы видно, что с уменьшением плотности пенокарбида кремния, его теплопроводность снижается. Теплопроводность этого пенокарбида с наполнением пор в атмосфере аргона (с давлением до 2 атмосфер) в основном имеет большую величину, чем в вакууме. Однако, более плотный пенокарбид имеет свойство быть значительно теплопроводным в вакууме, чем в атмосфере газа аргона.

Следует отметить, что с ростом температуры пенокарбида кремния, его теплопроводность снижается.

Источник: Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1967. — 474 с.

Краткое описание

Оксид кремния (IV) SiO2 представляет собой твёрдое, тугоплавкое кристаллическое вещество, которое не растворяется в воде и не вступает с ней в реакцию. Химический компонент проявляет окислительные свойства. При температуре от +1000°C SiO2 взаимодействует с активными металлами. В этом случае образуется кремний:

• SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO.
• 3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3.

При избытке кремния происходит восстановление силицидов. Эта химическая реакция имеет следующую формулу: SiO2 + 4Mg = Mg2Si + 2MgO. Силициум взаимодействует с водородом, а при использовании углерода образуется карборунд: SiO2 + 3C = SiC + 2CO.

Если попробовать сплавить оксид кремния со щелочами, то в итоге можно будет получить силикаты:

• SiO2 + 2NaOH = Na2SiOO3 + H2O.
• SiO2 + CaO = CaSiO3.
• SiO2 + K2CO3 = K2SiO3 + CO2.
• SiO2 + H2O ≠.

При нормальном давлении и температуре воздуха можно выделить три кристаллические модификации SiO2: тридимит, кварц и кристобалит. В каждом случае известны высокотемпературные и низкотемпературные формы. В их основе лежат тетраэдры SiO4, которые соединены четырьмя атомами кислорода в трёхмерной решётке.

Свойства монооксида

На уроках химии можно узнать, что формула оксида кремния выглядит следующим образом — SiO2. Внешне это вещество имеет вязкую консистенцию, больше напоминает смолу. Без какого-либо воздействия оксид кремния отлично сохраняет своё конденсированное состояние, не подвержен окислению. SiO2 не влияет на образование солей, а также не пропускает ток. Получить монооксид кремния можно двумя доступными методами:

• Нагреть кремний до отметки +400°C и выше при недостаточном объёме кислорода. Формула выглядит следующим образом: 2Si + O2 → 2SiO.
• Использование специального метода Чохральского (выращивание монокристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава) при восстановлении диоксида в условиях высоких температур. Формула: 2SiO2 + Si → 2SiO.

В твёрдом состоянии монооксид представляет собой порошок коричневого цвета. Это химическое вещество обладает высокой прочностью и инертностью при условии взаимодействия с кислотами. Добиться полного растворения монооксида можно только в плавиковой кислоте. Среди основных химических свойств SiO2 можно выделить:

• Монооксид может разлагаться только под воздействием высоких температур. Отобразить эту реакцию можно с помощью следующей формулы: 2SiO → 2Si + О2.
• При нагревании монооксид взаимодействует с СО2. Формула: SiO + CO2 → SiO2 + CO.
• Монооксид кремния вступает в реакцию с парами Н2О, но только при условии нагревания до +500°C. Этот процесс хорошо виден в формуле: SiO + H2O → SiO2 + H2.
• Жидкий хлорид кремния можно получить в том случае, если дополнительно задействовать хлор и нагреть смесь до +800°C. Наглядно эта реакция выглядит так: 2SiO + 4Cl2 → 2SiCl4 + O2.

Характеристика диоксида

Оксид кремния (SiO2) представляет собой кристаллическое тугоплавкое вещество, которое не растворяется в воде. Этот химический компонент не проводит электрический ток. На уроках химии в 8 классе учащимся объясняют, что диоксид входит в состав следующих горных пород:

• Песка.
• Горного хрусталя.
• Яшмы.
• Кварца.
• Агата.
• Аметиста.

Литосфера на 87% состоит из диоксида. Это химическое вещество имеет немолекулярное строение. Атомы кислорода и кремния связаны ковалентным способом. Благодаря этому сформировалась кристаллическая решётка. Диоксид можно получить в лабораторных условиях. Для этого кремний вместе с кислородом нагревают до отметки +500°C: Si + O2 → SiO2.

После воздействия кислот на растворимые силикаты образуется диоксид. В итоге формируется кремниевая кислота, которая распадается на диоксид и воду. Химическая реакция выглядит следующим образом:

• Na2 SiO3 + 2CH3COOH → 2CH3COONa + H2SiO3↓.
• H 2SiO3 → H2O + SiO2.

В нормальных условиях диоксид вступает в реакцию только с плавиковой кислотой. А вот с основными оксидами и щелочами может взаимодействовать только при воздействии высоких температур. Диоксид не реагирует на Н2О. Сегодня это химическое вещество используется для серийного производства силикагеля, стекла и бетона.