Карбид кремния
Карбид кремния (SiC) – абразивный материал, получаемый в электрических печах сопротивления силицированием частиц углерода парами кремниевой кислоты. Плотность карбида кремния 3,15-3,25 г/см3, микротвердость 32,4-35,3 ГПа (3300-3600 кгс/мм2), твердость по Моосу 9,1 (уступает лишь алмазу и нитриду бора), механическая прочность-11,0-14,7Н (1120-1500г), разрушаемость (для материалов зернистостью 25) не более 47%. [i]
Получение карбида кремния
Поликристаллический карбид кремния получают в электрических печах при температуре 1800—2300оС путем восстановления двуокиси кремния углеродом: SiO2 + 3C = SiC + 2CO.
Сырьем служат материалы, богатые кремнеземом: жильный кварц, кварцевые пески и кварциты, содержащие не менее 99,0-99,5% SiO2, а также углеродистый материал – малозольный нефтяной кокс. Для улучшения газопроводности к шихте добавляют некоторое количество древесных опилок, а при производстве зеленого карбида кремния – еще и поваренную соль. Нагревательным элементом печи является токопроводящий керн из углеродистых материалов. [ii]
Абразивная промышленность производит зеленый и черный мелко- и крупнокристаллический карбиды кремния, относящиеся к a-SiC структуре гексагональной модификации. Минерал кристаллизуется в виде пинакоидальных пластинок, имеющих игольчатую форму.
Химически чистый карбид кремния бесцветен и прозрачен, а абразивный окрашен от светло-зеленого до черного цвета в зависимости от состава и содержания примесей. Наиболее вредной примесью является углерод, который понижает абразивную способность карбида кремния и его адгезию со связкой.
По химическому составу и физическим свойствам зеленый и черный карбиды кремния отличаются незначительно, однако зеленый карбид кремния содержит меньше примесей, а черный имеет большую абразивную способность.
Из карбида кремния получают шлифзерно, шлифпорошки и микрошлифпорошки марок 64С и 63С, шлифзерно и шлифпорошки марок 54С и 53С, которые применяют для изготовления шлифовальных кругов, шлифовальной шкурки, а также паст. Однако для производства многих видов шлифовальной шкурки черный карбид кремния предпочитают зеленому.
Шлифкруги из зеленого карбида кремния используют для доводки металлообрабатывающего инструмента, твердых сплавов, керамики, камня и для правки шлифовальных кругов из других абразивных материалов. Шлифкруги из черного карбида кремния применяют для шлифования твердых сплавов, чугуна, цветных металлов, стекла, пластмасс, кожи, резины. Пастами из карбида кремния производят многие доводочные работы. Шлифовальные материалы из карбида кремния используют в электротехнической, металлургической и огнеупорной отраслях промышленности. Их добавляют также в аэродромные покрытия, лестничные ступени, плитки и другие изделия.
[i] Карбид кремния тугоплавок (t пл 2830°С), химически стоек. Обладает высокой термической, химической и радиационной стойкостью, выделяется своей устойчивостью к окислению среди многих окалиностойких сплавов и химических соединений. Заметно окисляется только при температурах выше 800оС. Карбид кремния не реагирует с минеральными кислотами любых концентраций, включая и плавиковую кислоту. При комнатной температуре химически взаимодействует с ортофосфорной и кислотой и смесью азотной и фтористоводородной кислот при температуре 200оС. Водяной пар реагирует с карбидом кремния только начиная с 1300—1400оС. Вплоть до 1100оС с карбидом кремния совершенно не взаимодействует азот. Инертен он также в среде водорода и углекислого газа. В среде хлора теряет устойчивость при сравнительно низких температурах.
[ii] Из-за высоких значений температуры и давления, при которых существует расплав карбида кремния, классические методы получения из него монокристаллов не применимы. Используют методы выращивания кристаллов SiC из газовой фазы или из растворов в расплаве. Большое распространение получил метод сублимации. В этом методе рост кристаллов карбида кремния происходит из газовой фазы в графитовых тиглях в атмосфере инертных газов при температуре 2500—2600оС. Эпитаксиальные слои и твердые растворы на основе карбида кремния можно получать всеми известными методами, используемыми в полупроводниковой технологии. Технология формирования структур карбида кремния на подложках кремния принципиально не отличается от процессов получения кремниевых пленок.