Odhalenie jedinečných vlastností a perspektív použitia zeleného mikroprášku karbidu kremíka
V dnešnej oblasti high-tech materiálov sa mikroprášok zeleného karbidu kremíka postupne dostáva do centra pozornosti komunity materiálových vied vďaka svojim jedinečným fyzikálnym a chemickým vlastnostiam. Táto zlúčenina zložená z uhlíkových a kremíkových prvkov má vďaka svojej špeciálnej kryštálovej štruktúre a vynikajúcemu výkonu široké možnosti uplatnenia v mnohých priemyselných oblastiach. Tento článok sa podrobne zaoberá jedinečnými vlastnosťami mikroprášku zeleného karbidu kremíka a jeho aplikačným potenciálom v rôznych oblastiach.
1. Základné vlastnosti mikroprášku zeleného karbidu kremíka
Zelený karbid kremíka (SiC) je syntetický supertvrdý materiál a patrí do skupiny zlúčenín s kovalentnou väzbou. Jeho kryštalická štruktúra predstavuje hexagonálny systém s usporiadaním podobným diamantu. Mikroprášok zeleného karbidu kremíka sa zvyčajne vzťahuje na práškové produkty s veľkosťou častíc v rozmedzí 0,1 – 100 mikrónov a jeho farba sa pohybuje v rôznych odtieňoch od svetlozelenej po tmavozelenú v dôsledku rôznej čistoty a obsahu nečistôt.
Z mikroskopickej štruktúry vyplýva, že každý atóm kremíka v zelenom kryštáli karbidu kremíka tvorí tetraedrickú koordináciu so štyrmi atómami uhlíka. Táto silná kovalentná väzbová štruktúra dodáva materiálu extrémne vysokú tvrdosť a chemickú stabilitu. Za zmienku stojí, že Mohsova tvrdosť zeleného karbidu kremíka dosahuje 9,2 – 9,3, čo je druhé miesto hneď po diamante a kubickom nitride bóru, vďaka čomu je nenahraditeľný v oblasti abrazív.
2. Unikátne vlastnosti mikroprášku zeleného karbidu kremíka
1. Vynikajúce mechanické vlastnosti
Najvýraznejšou vlastnosťou mikroprášku zeleného karbidu kremíka je jeho extrémne vysoká tvrdosť. Jeho tvrdosť podľa Vickersa môže dosiahnuť 2800 – 3300 kg/mm², vďaka čomu dosahuje dobré výsledky pri spracovaní tvrdých materiálov. Zároveň má zelený karbid kremíka aj dobrú pevnosť v tlaku a dokáže si udržať vysokú mechanickú pevnosť aj pri vysokých teplotách. Táto vlastnosť umožňuje jeho použitie v extrémnych prostrediach.
2. Vynikajúce tepelné vlastnosti
Tepelná vodivosť zeleného karbidu kremíka je až 120 – 200 W/(m·K), čo je 3 – 5-krát viac ako u bežnej ocele. Táto vynikajúca tepelná vodivosť z neho robí ideálny materiál na rozptyl tepla. Ešte úžasnejšie je, že koeficient tepelnej rozťažnosti zeleného karbidu kremíka je iba 4,0 × 10⁻⁶/℃, čo znamená, že má vynikajúcu rozmerovú stabilitu pri zmene teploty a nespôsobuje zjavnú deformáciu v dôsledku tepelnej rozťažnosti a sťahovania.
3. Vynikajúca chemická stabilita
Pokiaľ ide o chemické vlastnosti, zelený karbid kremíka vykazuje extrémne silnú inertnosť. Je odolný voči korózii spôsobenej väčšinou kyselín, zásad a soľných roztokov a zostáva stabilný aj pri vysokých teplotách. Experimenty ukazujú, že zelený karbid kremíka si dokáže udržať dobrú stabilitu v oxidačnom prostredí pod 1000 ℃, čo ho robí potenciálnym pre dlhodobé použitie v korozívnom prostredí.
4. Špeciálne elektrické vlastnosti
Zelený karbid kremíka je polovodičový materiál so širokou zakázanou pásmovou šírkou 3,0 eV, čo je oveľa viac ako 1,1 eV kremíka. Táto vlastnosť mu umožňuje odolávať vyšším napätiam a teplotám a má jedinečné výhody v oblasti výkonových elektronických zariadení. Okrem toho má zelený karbid kremíka aj vysokú mobilitu elektrónov, čo umožňuje vývoj vysokofrekvenčných zariadení.
3. Postup prípravy mikroprášku zeleného karbidu kremíka
Príprava mikroprášku zeleného karbidu kremíka sa vykonáva prevažne Achesonovým procesom. Pri tejto metóde sa kremenný piesok a ropný koks zmiešajú v určitom pomere a zahrievajú sa na 2000 – 2500 ℃ v odporovej peci, kde prebieha reakcia. Blokový zelený karbid kremíka, ktorý vzniká reakciou, sa podrobuje procesom, ako je drvenie, triedenie a morenie, aby sa nakoniec získali mikropráškové produkty s rôznymi veľkosťami častíc.
V posledných rokoch sa s pokrokom v technológii objavili nové metódy prípravy. Chemická depozícia z pár (CVD) umožňuje prípravu vysoko čistého nanorozmerného prášku zeleného karbidu kremíka; metóda sol-gel umožňuje presne kontrolovať veľkosť častíc a morfológiu prášku; plazmová metóda umožňuje dosiahnuť kontinuálnu výrobu a zlepšiť efektivitu výroby. Tieto nové procesy poskytujú viac možností pre optimalizáciu výkonu a rozšírenie aplikácie mikroprášku zeleného karbidu kremíka.
4. Hlavné oblasti použitia mikroprášku zeleného karbidu kremíka
1. Presné brúsenie a leštenie
Ako supertvrdý abrazívum sa mikroprášok zeleného karbidu kremíka široko používa pri presnom spracovaní spekaného karbidu, keramiky, skla a iných materiálov. V polovodičovom priemysle sa vysoko čistý prášok zeleného karbidu kremíka používa na leštenie kremíkových doštičiek a jeho rezný výkon je lepší ako u tradičných abrazív z oxidu hlinitého. V oblasti spracovania optických súčiastok môže zelený prášok karbidu kremíka dosiahnuť drsnosť povrchu v nanorozmeroch a splniť požiadavky na spracovanie vysoko presných optických súčiastok.
2. Pokročilé keramické materiály
Prášok zeleného karbidu kremíka je dôležitou surovinou na výrobu vysokovýkonnej keramiky. Štrukturálna keramika s vynikajúcimi mechanickými vlastnosťami a tepelnou stabilitou sa dá vyrobiť lisovaním za tepla, spekaním alebo reakčným spekaním. Tento typ keramického materiálu sa široko používa v kľúčových komponentoch, ako sú mechanické upchávky, ložiská a trysky, najmä v náročných pracovných podmienkach, ako sú vysoké teploty a korózia.
3. Elektronika a polovodičové súčiastky
V oblasti elektroniky sa prášok zeleného karbidu kremíka používa na prípravu polovodičových materiálov so širokým zakázaným pásmom. Výkonové zariadenia na báze zeleného karbidu kremíka majú vysokofrekvenčné, vysokonapäťové a vysokoteplotné prevádzkové vlastnosti a vykazujú veľký potenciál v nových energetických vozidlách, inteligentných sieťach a iných oblastiach. Štúdie ukázali, že výkonové zariadenia na báze zeleného karbidu kremíka môžu znížiť energetické straty o viac ako 50 % v porovnaní s tradičnými zariadeniami na báze kremíka.
4. Kompozitná výstuž
Pridanie zeleného karbidu kremíka ako výstužnej fázy do kovovej alebo polymérnej matrice môže výrazne zlepšiť pevnosť, tvrdosť a odolnosť kompozitného materiálu proti opotrebovaniu. V leteckom priemysle sa kompozity z karbidu kremíka na báze hliníka používajú na výrobu ľahkých a vysoko pevných konštrukčných dielov; v automobilovom priemysle vykazujú brzdové doštičky vystužené karbidom kremíka vynikajúcu odolnosť voči vysokým teplotám.
5. Žiaruvzdorné materiály a nátery
Využitím vysokoteplotnej stability zeleného karbidu kremíka je možné pripraviť vysokovýkonné žiaruvzdorné materiály. V oceliarskom priemysle sa žiaruvzdorné tehly z karbidu kremíka široko používajú vo vysokoteplotných zariadeniach, ako sú vysoké pece a konvertory. Okrem toho môžu povlaky z karbidu kremíka poskytnúť vynikajúcu ochranu základného materiálu proti opotrebovaniu a korózii a používajú sa v chemických zariadeniach, lopatkách turbín a iných oblastiach.