Карбид кремния: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
[отпатрулированная версия][отпатрулированная версия]
Содержимое удалено Содержимое добавлено
переименовал «Карбид кремния» в «Муассанит»: название минеральной формы
 
Нет описания правки
Строка 1: Строка 1:
{{Вещество
#перенаправление [[Муассанит]]
| заголовок = Карбид кремния
| картинка = SiC p1390066.jpg
| картинка3D = <!-- имя файла -->
| картинка малая = <!-- имя файла -->

| наименование = <!-- по хим. классификации -->
| традиционные названия = <!-- если есть -->
| сокращения = <!-- принятые сокращения названия -->
| хим. формула = SiC
| эмпирическая формула = <!-- например: С<sub>2</sub>H<sub>6</sub>O -->
| отн. молек. масса = <!-- число, в а.е.м. -->
| молярная масса = 40.0962

| плотность = {{Comment|3.21|Для всех полиморфных модификаций}}<ref>{{cite book| author =Patnaik, P.| title = Handbook of Inorganic Chemicals| publisher =McGraw-Hill| year =2002| isbn =0070494398}}</ref>
| предел прочности = <!-- число, в Н/мм² -->
| твёрдость = <!-- число (безразм.) -->
| примеси = <!-- типичное кол-во, указать единицы -->
| состояние = от прозрачного до черного, в зависимости от чистоты
| динамическая вязкость = <!-- число, в Па·с (при 20 °C) -->
| кинематическая вязкость = <!-- число, в см²/с (при 20 °C) -->

| темп. плавления = (с разл.) 2730
| темп. кипения = <!-- число, в °C -->
| темп. разложения = <!-- число, в °C -->
| темп. вспышки = <!-- число, в °C -->
| темп. воспламенения = <!-- число, в °C -->
| темп. самовоспламенения = <!-- число, в °C -->
| тройная точка = <!-- ? K (? °C), ? Па -->
| критическая точка = <!-- ? K (? °C), ? Па -->
| теплоёмкость = <!-- число, в Дж/(моль·К) (молярная теп.-ём.) -->
| теплоёмкость2 = <!-- число, в Дж/(кг·К) (удельная теп.-ём.) -->
| теплопроводность = <!-- число, в Вт/(м·K) -->
| энтальпия образования = <!-- число, в кДж/моль -->
| удельная теплота парообразования = <!-- число, в Дж/кг -->
| удельная теплота плавления = <!-- число, в Дж/кг -->
| тепловое расширение = <!-- число (безразм.) -->
| интервал трансформации = <!-- число, в ° -->
| температура размягчения = <!-- число, в ° -->
| давление пара = <!-- ? Па -->

| конст. диссоц. кислоты = <!-- число (безразм.) -->
| растворимость = нерастворим
| растворимость1 = нерастворим
| вещество1 = кислотах
| растворимость2 = <!-- число, в г/100 мл -->
| вещество2 = <!-- веществе 2 -->
| растворимость3 = <!-- число, в г/100 мл -->
| вещество3 = <!-- веществе 3 -->
| растворимость4 = <!-- число, в г/100 мл -->
| вещество4 = <!-- веществе 4 -->
| вращение = <!-- число, в ° -->
| изоэлектрическая точка = <!-- число (безразм.) -->

| диапазон прозрачности = <!-- число-число, в нм -->
| показатель преломления = {{Comment|2.55|В инфракрасном спектре; для всех полиморфных модификаций}}<ref name=ioffe>{{cite web| url = http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/SiC/| title = Properties of Silicon Carbide (SiC)| publisher = Ioffe Institute| accessdate = }}</ref>
| угол Брюстера = <!-- число, в ° -->

| гибридизация = <!-- ? -->
| координационная геометрия = <!-- ? -->
| кристаллическая структура = <!-- описание решётки -->
| дипольный момент = <!-- число, в Дебай -->

| CAS = [http://www.commonchemistry.org/ChemicalDetail.aspx?ref=409-21-2 409-21-2]
| EINECS = <!-- № по EINECS -->
| SMILES = <!-- Хим. формула по SMILES -->
| Номер UN = <!-- № по ООН -->
| ЕС = <!-- Регистрационный № EC -->
| RTECS = VW0450000

| ЛД50 = <!-- число, в мг/кг -->
| токсичность = {{NFPA 704
| опасность для здоровья = 1
| огнеопасность = 0
| реакционоспособность = 0
| прочее =
}}
}}

'''Карбид кремния''' (''карборундум'') — [[Бинарное соединение|бинарное]] [[Неорганическое соединение|неорганическое]] [[химическое соединение]] [[Кремний|кремния]] с [[углерод]]ом. Химическая формула SiC. В природе встречается в виде чрезвычайно редкого минерала — [[муассанит]]а. Порошок карбида кремния был получен в [[1893 год]]у. Используется как абразив, полупроводник, искусственные драгоценные камни.

== Открытие и начало производства ==
[[Файл:SiC LED historic.jpg|thumb|left|220px|Репликация эксперимента Г. Д. Раунда]]
О ранних, несистематических и часто непризнанных [[синтез]]ах карбида кремния сообщали такие ученые как Деспретз<!-- Despretz--> (1849), Марсден (1880) и Колсон (1882 год)<ref>{{cite book| url = http://books.google.com/books?id=ObwHdIT0C0QC| page =115|title = Carbide, nitride, and boride materials synthesis and processing|author = Weimer, A. W.| publisher = Springer| year = 1997| isbn = 0412540606}}</ref>. Широкомасштабное производство начал Эдвард Гудрич Ачесон в 1893. Он запатентовал метод получения порошкообразного карбида кремния 28 февраля 1893<ref>Acheson, G. (1893) {{US patent|492767}} «Production of artificial crystalline carbonaceous material»</ref>. Ачесон также разработал электрическую печь в которой карбид кремния создается до сих пор. Он основал компанию ''The Carborundum Company'' для производства порошкообразного вещества, которое первоначально использовалось в качестве [[абразив]]а <ref>{{cite news| url =http://www.scientificamericanpast.com/Scientific%20American%201890%20to%201899/5/lg/sci471894.htm|date = 4/7/1894| title =The Manufacture of Carborundum — a New Industry| accessdate= }}</ref>.
<!-- В 1900 году компаниям ''Electric Smelting and Aluminum Company'' и ''The Carborundum Company'' было указано судейское решение, которое распределило «приоритетные задачи для уменьшения создаваемых руд и других веществ методом накаливания добела», тем самым урегулировав производство между компаниями<ref>{{cite journal|author=Mabery, Charles F.|title=Notes, On Carborundum|pages=706–707|url=http://books.google.com/books?id=fBIDAAAAYAAJ&pg=PA706|year=1900|volume=XXII|issue=Part II|journal=Journal of the American Chemical Society|publisher=Johnson Reprint Company, via Google Books scan of Harvard University copy|accessdate= }}</ref>.
Это говорит о том, что Ачесон пытался растворить [[углерод]] в расплавленном [[корунд]]е ([[глинозем]]е), но обнаружил наличие жестких, сине-черных кристаллов, которые, по его мнению, являлись соединениями углерода и корунда: отсюда и пошло название «[[карборунд]]».
Или, может быть, он назвал этот материал по аналогии с корундом, который является еще одним крепким веществом (оценка 9 по [[Шкала Мооса|шкале Мооса]]). Это должен перевести юрист, а то ерунда получается-->

Исторически первым способом использования карбидокремния было использование в качестве [[абразив]]а. За этим последовало применение и в электронных устройствах.
В начале 20 века карбид кремния использовался в качестве детектора в первых радиоприемниках <ref>Dunwoody, Henry H.C. (1906) {{US patent|837616}} «Wireless telegraph system» (silicon carbide detector)</ref>.
В 1907 году Генри Джозеф Раунд создал первый [[светодиод]], подавая напряжение на кристаллы SiC и наблюдая за желтым, зеленым и оранжевым излучением на [[катод]]е. Эти эксперименты были позже повторены [[Лосев, Олег Владимирович|О. В. Лосевым]] в СССР в 1923 году <ref name="ultraviolet">{{ cite web|url=http://www.indiana.edu/~hightech/fpd/papers/ELDs.html|title=A History of Electroluminescent Displays|last=Hart|first=Jeffrey A.|coauthors=Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha}}</ref>.

== Формы нахождения в природе ==
[[Файл:Moissanite-USGS-20-1001d-14x-.jpg|thumb|left|250px|Монокристалл муассанита (~1 мм в размере)]]
Природный карбид кремния — муассанит можно найти только в ничтожно малых количествах в некоторых типах [[метеорит]]ов и в [[Месторождение|месторождениях]] корунда и [[кимберлит]]а. 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 качестве небольшого включения в [[Canyon Diablo (метеорит)|метеорите Каньон Диабло]] в [[Аризона|Аризоне]] [[Муассан, Анри|Фердинандом Анри Муассаном]], в честь которого и был назван [[минерал]] в 1905 году<ref>{{cite journal|author = Moissan, Henri | title = Nouvelles recherches sur la météorité de Cañon Diablo|year = 1904|journal = [[Comptes rendus]]|volume = 139| pages = 773–86| url = http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k30930/f773.table}}</ref>. Исследование Муассана о естественном происхождении карбида кремния было изначально спорным, потому что его образец мог быть загрязнён крошкой карбида кремния от [[Пила|пилы]] (в то время пилы уже содержали данное вещество)<ref name = pierro>{{cite journal|author = Di Pierro S., Gnos E., Grobety B.H., Armbruster T., Bernasconi S.M., and Ulmer P.|year = 2003|title = Rock-forming moissanite (natural α-silicon carbide)|journal = American Mineralogist|volume = 88|pages = 1817–21|url = http://www.geoscienceworld.org/cgi/georef/2004018181}}</ref>.

Хоть карбид кремния и является редким веществом на Земле, однако, он широко распространен в [[космос]]е.
Это вещество распространено в пылевых облаках вокруг богатых углеродом звезд,
также его много в первозданных, не подверженных изменениям, метеоритах.
Карбид кремния нашли в космосе и в метеоритах, почти исключительно, в форме бета-полиморфа. Анализ зёрен карбида кремния, найденных в Мерчисонском углеродистом хондритовом метеорите, выявил аномальное изотопное соотношение углерода и кремния, что указывает на происхождение данного вещества за пределами [[Солнечная система|Солнечной системы]]: 99 % зёрен SiC образовались около богатых углеродом звёзд принадлежащих к [[Асимптотическая ветвь гигантов|асимптотической ветви гигантов]] <ref>{{cite journal| journal = Nature|volume = 348| pages = 715–17| year =1990| doi=10.1038/348715a0| title = In situ measurement of interstellar silicon carbide in two CM chondrite meteorites| author = Alexander, C. M. O'D.}}</ref>.
Карбид кремния можно часто обнаружить вокруг таких звезд по их ИК-спектрам <ref>{{cite journal|url = http://img.chem.ucl.ac.uk/www/kelly/history.htm|title = The Astrophysical Nature of Silicon Carbide| accessdate = }}</ref>.

== Производство ==
Из-за редкости нахождения в природе муассанита, карбид кремния, как правило, имеет искусственное происхождение.
<!-- Чаще всего он использовался в качестве абразива, но в последнее время можно найти применение данного вещества и в качестве [[полупроводник]]а или как имитатор [[алмаз]]а ювелирного качества. перенести в использование-->
Простейшим способом производства является спекание [[кремнезем]]а с [[углерод]]ом в графитовой электропечи Ачесона при высокой температуре 1600-2500 °C.
:<math>~\mathrm{SiO_2 + 3C \xrightarrow{1600-2500^oC} SiC + 2CO}</math>
<!-- Довольно хорошие частицы [[Кремнезем|SiO<sub>2</sub>]], найденные в растительных веществах (например, в рисовой шелухе), могут быть преобразованы в SiC при нагревании в избытке [[углерод]]а из органических веществ<ref>{{cite journal| author = Vlasov, A.S. | title = Refractories and Industrial Ceramics| volume = 32|year =1991}} Стр. 1083</ref>. К чему это?-->
[[Файл:SiC crystals.JPG|thumb|220px|right|Синтетические кристаллы SiC ~ 3 мм в диаметре]]

Чистота карбида кремния, образующегося в печи Ачесона, зависит от расстояния до [[графит]]ового [[резистор]]а в [[Трубчатый электронагреватель|ТЭНе]].
Кристаллы высокой чистоты бесцветного, бледно-желтого и зеленого цвета находятся ближе всего к резистору.
На большем расстоянии от резистора цвет изменяется на синий или черный из-за примесей.
Загрязнителями чаще всего являются азот и алюминий, они влияют на [[электропроводность]] полученного материала <ref name="growth">{{книга|автор=Harris, Gary Lynn|заглавие=Свойства карбида кремния|оригинал=Properties of silicon carbide|ссылка=http://books.google.com/books?id=Yy_B8GzxNlgC&printsec=frontcover|место=United Kingdom|издательство=IEE|год=1995|страниц=282|pages=19; 170–180|isbn=0852968701}}</ref>.

Чистый карбид кремния можно получить с помощью так называемого процесса Лели, в котором порошкообразный SiC возгоняется в атмосфере [[аргон]]а при 2500 °C и осаждается на более холодной подложке в виде чешуйчатых монокристаллов размером до 2х2 см². Этот процесс дает высококачественные монокристаллы, в основном состоящие из 6H-SiC фаз (это связано высокой температурой роста).
Кубический SiC, как правило, выращивается с помощью более дорогостоящего процесса — [[CVD-процесс|химического осаждения паров]] <ref name="growth"></ref><ref>{{книга|автор=Byrappa, K.; Ohachi, T.|заглавие=Crystal growth technology|ссылка=http://books.google.com/books?id=win7M66SjYIC|издательство=Springer|год=2003|страницы=180-200|isbn=3540003673}}</ref>.
Чистый карбид кремния также может быть получен путем термического разложения полимера [[полиметилселан]]а (SiCH<sub>3</sub>)<sub>n</sub>, в атмосфере инертного газа при низких температурах.
Относительно CVD-процесса метод [[пиролиз]]а более удобен, поскольку из полимера можно сформировать изделие любой формы перед запекания в керамику <ref>{{статья|автор=Pitcher, M. W.; Joray, S. J.; Bianconi, P. A.|заглавие=Smooth Continuous Films of Stoichiometric Silicon Carbide from Poly(methylsilyne)|издание=журнал Advanced Materials|год=2004|страницы=706|doi=10.1002/adma.200306467}}</ref><ref name="prop">{{книга|автор=Park, Yoon-Soo|заглавие=SiC materials and devices|ссылка=http://books.google.com/books?id=bYms_kigMX8C&hl=en|издательство=Academic Press|год=1998|страницы=20–60|isbn=0127521607}}</ref><ref>{{статья|автор=Bunsell, A. R.; Piant, A.|заглавие=A review of the development of three generations of small diameter silicon carbide fibres|издание=Journal of Materials Science|год=2006|страницы=823|doi=10.1007/s10853-006-6566-z}}</ref><ref>{{статья|автор=Laine, Richard M.|заглавие=Preceramic polymer routes to silicon carbide|место=Babonneau, Florence|издательство=Chemistry of Materials|год=1993|страницы=260|doi=10.1021/cm00027a007}}</ref>.

== Структура и свойства ==
<center>
<gallery caption="Структуры основных политипов SiC" widths="250px" heights="200px" perrow="3" text="center">
Image:SiC3Cstructure.jpg| (β)3C-SiC
Image:SiC4Hstructure.jpg| 4H-SiC
Image:SiC6Hstructure.jpg| (α)6H-SiC
</gallery>
</center>

Существует примерно 250 кристаллических форм карбида кремния<ref>{{cite book| url= http://books.google.com/books?id=hJySnYNE3B0C&hl=en| страницы = 3| заглавие = Silicon carbide microelectromechanical systems for harsh environments| автор = Cheung, Rebecca| издательство = Imperial College Press| год = 2006| isbn = 1860946240}}</ref>.
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 определенной последовательности <ref name="jap">{{статья|автор=Morkoç, H.; Strite, S.; Gao, G. B.; Lin, M. E.; Sverdlov, B.; Burns, M.|заглавие=Large-band-gap SiC, III-V nitride, and II-VI ZnSe-based semiconductor device technologies|издательство=Journal of Applied Physics|год=1994|страницы=1363|doi=10.1063/1.358463}}</ref>.

Альфа карбид кремния (α-SiC) является наиболее часто встречающимся [[Полиморфизм кристаллов|полиморфом]].
Эта модификация образуется при температуре свыше 1700 °C и имеет [[Гексагональная сингония|гексагональную]] решётку, [[Кристаллическая структура|кристаллическая структура]] типа [[вюрцит]]а.

Бета-модификация (β-SiC), с кристаллической структурой типа цинковой обманки (аналог структуры [[алмаз]]а), образуется при температурах ниже 1700 °C <ref name="muranaka">{{статья|автор=Muranaka, T.|заглавие=Superconductivity in carrier-doped silicon carbide|ссылка=http://www.iop.org/EJ/article/1468-6996/9/4/044204/stam8_4_044204.pdf|тип=free download|издательство=Sci. Technol. Adv. Mater.|год=2008|выпуск= |doi=10.1088/1468-6996/9/4/044204}}</ref>.
До недавнего времени бета-форма имела сравнительно небольшое коммерческое использование, однако, в настоящее время в связи с использованием его в качестве гетерогенных катализаторов интерес к ней увеличивается.

{| class="wikitable" border="1" cellpadding="3" cellspacing="0" style="margin:10px; text-align:center" align="right"
|+ Свойства основных политипов карбида кремния<ref name=ioffe>{{cite web| url = http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/SiC/| title = Properties of Silicon Carbide (SiC)| publisher = Ioffe Institute| accessdate = 2009-06-06}}</ref><ref name=prop>{{cite book| pages=1–18| url = http://books.google.com/books?id=bYms_kigMX8C&hl=en| title = SiC materials and devices| author = Yoon-Soo Park, Willardson, Eicke R Weber| publisher = Academic Press| year = 1998| isbn = 0127521607}}</ref>
![[Полиморфизм кристаллов|Политип]] || 3C (β) || 4H || 6H (α)
|-
![[Кристаллическая структура]]
|Цинковая обмана (кубич.) || Гексагональная || Гексагональная
|-
![[Пространственная группа]]
|<math>~\mathrm{T^2_d-F43m}</math> || <math>~\mathrm{C^4_{6v}-P6_3mc}</math> || <math>~\mathrm{C^4_{6v}-P6_3mc}</math>
|-
![[Символ Пирсона]]
|<math>~\mathrm{cF8}</math> || <math>~\mathrm{hP8}</math> || <math>~\mathrm{hP12}</math>
|-
![[Постоянная решётки|Постоянные решётки]] (Å)
|<math>~4.3596</math> || <math>~3.0730; 10.053</math> || <math>~3.0730; 15.11</math>
|-
![[Плотность]] (г/см³)
|3.21 || 3.21 || 3.21
|-
![[Запрещённая зона|Ширина запрещенной зоны]] (еВ)
|2.36
|3.23
|3.05
|-
![[Модуль объемного сжатия|МОС]] (ГПа)
|250 || 220 || 220
|-
![[Теплопроводность]] (Вт/(см·К))
|3.6 || 3.7 || 4.9
|}

Чистый карбид кремния бесцветен. Его оттенки от коричневого до черного цвета связаны с примесями [[Железо|железа]].
Радужный блеск кристаллов обуславливается тем, что при контакте с воздухом на их поверхности образуется плёнка из [[Диоксид кремния|диоксида кремния]], что происходит к [[Пассивирование|пассивированию]] внешнего слоя.

Высокая [[температура сублимации]] карбидокремния (около 2700 °C) делает его пригодным для создания подшипников и частей оборудования для высокотемпературных печей.
Карбид кремния не плавится при любом известном давлении. Кроме того, является весьма инертным химическим веществом.

В настоящее время существует большой интерес в использовании данного вещества в качестве [[полупроводник]]ового материала в электронике, где его высокая [[теплопроводность]], высокое [[электрическое поле]] пробоя и высокая плотность [[Электрический ток|электрического тока]] делают его перспективным материалом для высокомощных устройств <ref name="baliga">{{статья|автор=Bhatnagar, M.; Baliga, B.J.|заглавие=Comparison of 6H-SiC, 3C-SiC, and Si for power devices|ссылка=http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/login.jsp?url=/iel1/16/5182/00199372.pdf?tp=&isnumber=5182&arnumber=199372|издательство=IEEE Transactions on Electron Devices|год=Март 1993|выпуск=3|страницы=645–655|doi=10.1109/16.199372}}</ref>.
Карбид кремния имеет очень низкий [[коэффициент теплового расширения]] (4,0·10<sup>-6</sup>K) и он не испытывает [[Фазовый переход|фазовые переходы]] из-за которых может произойти разрушение монокристаллов<ref name=growth/>.

=== [[Электропроводность]] ===
Карбид кремния является [[полупроводник]]ом, тип проводимости которого зависит от примесей.
Проводимость ''n''-типа получается при легировании [[азот]]ом или [[фосфор]]ом, а ''p''-тип — с помощью [[Алюминий|алюминия]], [[бор]]а, [[Галлий|галлия]] или [[Бериллий|бериллия]] <ref name=ioffe/>.
Металлическая проводимость была достигнута за счет сильного [[Легирование|легирования]] [[Бор (элемент)|бором]], [[Алюминий|алюминия]] и [[азот]]а.
[[Сверхпроводимость]] была обнаружена в политипах 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B и 6H-SiC:B при одинаковой температуре — 1,5 К <ref name="kriener">{{статья|автор=Kriener, M.|заглавие=Superconductivity in heavily boron-doped silicon carbide|ссылка=http://www.iop.org/EJ/article/1468-6996/9/4/044205/stam8_4_044205.pdf|язык=английский|издание=Sci. Technol. Adv. Mater.|тип=журнал|год=2008|выпуск=9|страницы=044205|doi=10.1088/1468-6996/9/4/044205}}</ref>.

=== Химические свойства ===
Карбид кремния очень устойчивое вещество и в инертной атмосфере разлагается только при очень высокой температуре:
:<math>~\mathrm{SiC \xrightarrow{2830^oC} Si + C}</math>

Сильно перегретый пар разлагает карбид кремния:
:<math>~\mathrm{SiC + 2H_2O \xrightarrow{1300^oC} SiO_2 + CH_4}</math>

Концентрированные окисляющие кислоты и их смеси растворяют карбид кремния:
:<math>~\mathrm{3SiC + 8HNO_3 \xrightarrow{~~~} 3SiO_2 + 3CO_2 + 8NO + 4H_2O}</math>

:<math>~\mathrm{3SiC + 18HF + 8HNO_3 \xrightarrow{~~~} 3H_2[SiF_6] + 3CO_2 + 8NO + 10H_2O}</math>

В присутствии кислорода щёлочи растворяют карбид кремния:
:<math>~\mathrm{3SiC + 4NaOH + O_2 \xrightarrow{~~~} Na_4SiO_4 + 3C + 2H_2O}</math>

:<math>~\mathrm{3SiC + 4NaOH + 2O_2 \xrightarrow{350^oC} Na_2SiO_3 + Na_2CO_3 + 2H_2O}</math>

При нагревании реагирует с кислородом:
:<math>~\mathrm{2SiC + 3O_2 \xrightarrow{950-1700^oC} 2SiO_2 + 2CO }</math>

с галогенами:
:<math>~\mathrm{SiC + 2Cl_2 \xrightarrow{600-1200^oC} SiCl_4 + C }</math>

с азотом:
:<math>~\mathrm{6SiC + 7N_2 \xrightarrow{1000-1400^oC} 2Si_3N_4 + 3C_2N_2 }</math>

с активными металлами:
:<math>~\mathrm{2SiC + 5Mg \xrightarrow{700^oC} 2Mg_2Si + MgC_2 }</math>

и их пероксидами:
:<math>~\mathrm{SiC + 4Na_2O_2 \xrightarrow{700-800^oC} Na_2SiO_3 + Na_2CO_3 + 2Na_2O }</math>

== Использование ==

=== Абразивные и режущие инструменты ===
[[Файл:Ultra-thin separated (Carborundum) disk.jpg|thumb|right|220px|Режущие диски из карбида кремния]]
В современной гранильной мастерской карбид кремния является популярным абразивом из-за его прочности и низкой стоимости.
В обрабатывающей промышленности из-за высокой твердости он используется в [[Абразивные материалы и абразивная обработка|абразивной обработке]] таких процессов как [[шлифование]], [[хонингование]], [[Гидроабразивная резка|водоструйная резка]] и [[Пескоструйная обработка|пескоструйной обработки]]. Частицы карбида кремния [[Ламинирование|ламинируются]] на бумагу для создания [[Шлифовальная шкурка|шлифовальной шкурки]]<!-- и сцепления ленты на скейтбордах --><ref>Fuster, Marco A. (1997) «Skateboard grip tape», {{US patent|5622759}}</ref>.

В 1982 году случайно был обнаружен композит, состоящий из [[оксид алюминия|оксида алюминия]] и карбида кремния, кристаллы которого растут в виде очень тонких нитей <!-- Развитие этого лаборатно произведенного композита в товарную продукцию заняло всего три года - не энциклопедично --><ref>{{cite book| ссылка = http://books.google.com/books?id=oSYdgu3on_oC&hl=en| страницы = 312| заглавие = Handbook of ceramic composites| автор = Bansal, Narottam P.| издательство = Springer| год = 2005| isbn = 1402081332}}</ref>.

=== Структурные материалы ===
[[Файл:Bodyarmor.jpg|thumb|left|220px|Карбид кремния используется во внутренней пластине баллистических бронежилетов]]
В 1980-х и 1990-х годах карбид кремния изучался в ряде научно-исследовательских программ в США, Японии и Европе для использования в высокотемпературных газовых турбинах.
Компоненты были призваны заменить некоторые детали никелевых жаропрочных турбин.
Тем не менее, ни один из этих проектов не привел к промышленному производству, в основном из-за низкого сопротивления ударам и низкой [[Ударная вязкость|ударной вязкости]] карбида кремния <ref>{{cite news| url = http://www.unipass.com/predictionprobe/Industry%20News/Ceramics%20for%20turbine%20engines.htm| title = Ceramics for turbine engines| accessdate = }}</ref>.

Как и другие жесткие керамики ([[оксид алюминия]] и [[карбид бора]]), карбид кремния используется в [[Комбинированная броня|композитной броне]] и в качестве керамической пластины в пуленепробиваемых жилетах. Тип бронежилета «Кожа дракона», созданный компанией Pinnacle Armor, использует диски из карбида кремния <ref>{{cite web|url=http://www.futurefirepower.com/dragon-skin-most-protective-body-armor-lightweight|title=Dragon Skin – Most Protective Body Armor – Lightweight|publisher=Future Firepower}}</ref>.

=== Автомобильные запчасти ===
[[Файл:PCCB Brake Carrera GT.jpg|thumb|right|220px|Углерод-керамические (карбид кремния) [[дисковые тормоза]] Porsche Carrera GT]]
Инфильтрованый кремний в материале «композит углерод-углерод» используется для производства высококачественных «керамических» дисковых тормозов, так как способен выдерживать экстремальные температуры. Кремний вступает в реакцию с [[графит]]ом в «композите углерод-углерод» становясь армированным углеродным волокном карбида кремния (C/SiC). Диски из этого материала используются на некоторых спортивных автомобилях, в том числе [[Porsche Carrera GT]], [[Bugatti Veyron]], [[Chevrolet Corvette ZR1]], [[Bentley Motors|бентли]], [[Ferrari|Феррари]], [[Ламборджини]]<ref>{{cite web| accessdate = | url = http://topmost10.com/topDetail.php?alias=fastest_cars| title = Top 10 Fast Cars}}</ref>. Карбид кремния используется также в [[Агломерация (металлургия)|спеченных формах]] в дизельных фильтрах для очистки от твердых частиц<ref>{{статья|автор=O'Sullivan, D.; Pomeroy, M.J.; Hampshire, S.; Murtagh, M.J.|заглавие=Degradation resistance of silicon carbide diesel particulate filters to diesel fuel ash deposits|ссылка=http://www.mrs.org/s_mrs/sec_subscribe.asp?CID=2238&DID=82906&action=detail|издание=MRS proceedings|год=2004|выпуск=19|страницы=2913–2921|doi=10.1557/JMR.2004.0373}}</ref>.
<!-- Это надо показать специалисту по композитам -->

=== Электроника ===
Первые электрические системы из SiC были [[молниеотвод]]ы в электроэнергетических системах. Эти устройства должны были обладать высоким [[Электрическое сопротивление|сопротивлением]] до тех пор пока [[Электрическое напряжение|напряжение]] между ними не достигнет определенного порогового значения V<sub>T</sub>, после чего их сопротивление должно упасть до более низкого уровня и поддерживать этот уровень, пока приложенное напряжение падает ниже V<sub>T</sub><ref>{{книга|автор=Whitaker, Jerry C.|заглавие=The electronics handbook|ссылка=http://books.google.com/books?id=FdSQSAC3_EwC&hl=en|издательство=CRC Press|год=2005|страницы=1108|isbn=0849318890}}</ref>.
<!-- Перевод машины: Было признано, что на раннем этапе SiC были такие напряжение зависит от сопротивления, и так колонны гранул SiC были связаны между высоковольтных линий электропередачи и землю. После удара молнии в линию вызывает напряжение в достаточной степени, столбца SiC будет проводить, что позволяет удара током пройти безвредно к земле, а не вдоль линии электропередачи. Такие колонны SiC оказался для проведения существенно при нормальной рабочей мощности линии напряжения и, следовательно, были размещены в ряд с разрядника. Эта искра разрыв ионизованной и оказываемых проводящих когда молния возникает напряжение проводника линии электропередачи, что фактически подключения колонки SiC между дирижером власть и землю. Spark пробелы используются в молнии разрядники являются ненадежными, либо не на забастовку дуги, при необходимости или не выключите потом, в последнем случае из-за отказа материала или загрязнение пылью или соли. Использование столбцов SiC изначально предназначена для устранения необходимости разрядника в молниеотвод. Gapped молниеотводы SiC были использованы в качестве инструмента защиты молнии и продается под GE и Вестингауз торговых марок, среди других. Gapped разрядник SiC в основном, перемещенных в результате ликвидации пробелов варисторы, которые используют колонны оксида цинка гранул. -->

=== Электронные схемы элементов ===
[[Файл:Uv-LED.jpg|thumb|220px|right|[[Светодиод]]]]
Карбид кремния используется в сверхбыстрых, высоковольтных [[Диод Шоттки|диодах Шоттки]], [[N-МОП|N-МОП-транзисторах]] и в высокотемпературных [[тиристор]]ах<ref name="baliga">{{статья|автор=Bhatnagar, M.; Baliga, B.J.|заглавие=Comparison of 6H-SiC, 3C-SiC, and Si for power devices|ссылка=http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/login.jsp?url=/iel1/16/5182/00199372.pdf?tp=&isnumber=5182&arnumber=199372|издание=IEEE Transactions on Electron Devices|год=март, 1993|выпуск=3|страницы=645–655|doi=10.1109/16.199372}}</ref>.
Проблемы с интерфейсом элементов основанных на диоксиде кремния препятствуют развитию N-МОП-транзисторов и IGBT, основанных на карбидокремнии. Другая проблема заключается в том, что сам SiC пробивается при высоких электрических полях в связи с образованием цепочек дефектов упаковки, но эта проблема может быть решена совсем скоро <ref>{{статья|автор=Madar, Roland|заглавие=Materials science: Silicon carbide in contention|тип=Журнал Nature|год=2004-08-26|выпуск=430|страницы=974–975|doi=10.1038/430974a}}</ref>.

История светодиодов из SiC весьма примечательна: первые светодиоды с использованием SiC были продемонстрированы в 1907 году. Первые коммерческие светодиоды были также на основе карбида кремния. Желтые светодиоды из 3C-SiC были изготовлены в Советском Союзе в 1970-х годах<ref>{{cite web| url = http://members.misty.com/don/yellosic.html| title = Yellow SiC LED| accessdate=}}</ref>, а синие (из 6H-SiC) по всему миру в 1980-х <ref name=LED>{{cite book| url = http://books.google.com/books?id=gRvvM7skEzQC&hl=en| заглавие= High brightness light emitting diodes| автор = Stringfellow, Gerald B.| издательство =Academic Press| год= 1997| isbn = 0127521569| страницы = 48, 57, 425}}</ref>.
Производство вскоре остановилась, потому что [[нитрид галлия]] показал в 10-100 раз более яркую эмиссию.
Эта разница в эффективности связана с неблагоприятной непрямой запрещенной зоной SiC, в то время как нитрид галлия имеет прямую запрещенную зону, что способствующую увеличению интенсивности свечения. Тем не менее, SiC по прежнему является одним из важных компонентов светодиодов — это популярная подложка для выращивания устройств из нитрида галлия, также он служит теплораспределителем в мощных светодиодах<ref name=LED/>.

=== [[Астрономия]] ===
Низкий коэффициент теплового расширения, высокая прочность, жесткость и теплопроводность делает карбид кремния нужным материалом для [[Зеркало|зеркал]] в астрономических [[телескоп]]ах. Развитие технологий ([[CVD-процесс|химическое осаждение паров]]) позволило создавать диски поликристаллического карбида кремния до 3,5 метров в диаметре. Несколько телескопов уже оснащены оптикой из карбида кремния<ref>{{cite news|url=http://www.esa.int/esaSC/SEMC7W1PGQD_index_0.html|title=The largest telescope mirror ever put into space|publisher=European Space Agency}}</ref><ref>{{статья|автор=Petrovsky, G. T.|заглавие=2.7-meter-diameter silicon carbide primary mirror for the SOFIA telescope|ссылка=http://adsabs.harvard.edu/abs/1994SPIE.2199..263P|издательство=Журнал Proc. SPIE|страницы=263}}</ref>.

=== [[Пирометрия]] ===
[[Файл:SiCpyrometer.jpg|thumb|220px|right|Изображения теста пирометрии. Высота пламени 7 см]]
Волокна из карбида кремния используются для измерения температуры газов оптическим методом, называемым тонкой пирометрией накаливания. Измерение таким способом включает в себя размещение тонких нитей в горячем потоке газа. Нити состоят из волокон карбида кремния в диаметре 15 мкм, что примерно в 5 раз тоньше человеческого волоса. Волокна являются настолько тонкими, что они почти не мешают горению пламени; их температура остается близкой к температуре пламени. Температура от 800 до 2500 K может быть измерена таким методом<ref>{{cite news|url=http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT/2003/6000/6711sunderland.html|title=Thin-Filament Pyrometry Developed for Measuring Temperatures in Flames|publisher=NASA|lang=английский}}</ref><ref>{{статья|автор=Maun, Jignesh D.; Sunderland, PB; Urban, DL|заглавие=Thin-filament pyrometry with a digital still camera|тип=Applied Optics|год=2007|выпуск=4|страницы=483|doi=10.1364/AO.46.000483|pmid=17230239}}</ref>.

=== Элементы нагревания ===
Ссылки на то, что карбид кремния использовался в нагревательных элементах существуют с начала 20-го века, когда они были изготовлены Карборундовой Компанией Ачесон в США и EKL в Берлине. Карбид кремния помог увеличить рабочую температуру по сравнению с металлическими нагревателями. Элементы из карбида кремния используются сегодня при плавления [[Цветные металлы|цветных металлов]] и [[Стекло|стекла]], при термической обработке [[металл]]ов, [[Флоат-стекло|флоат-стекла]], при производстве [[Керамика|керамики]], электронных компонентов и т. д.<ref>{{книга|автор=Yeshvant V. Deshmukh|заглавие=Industrial heating: principles, techniques, materials, applications, and design|ссылка=http://books.google.com/books?id=STjhvBnqflIC&hl=en|издательство=CRC Press|год=2005|страницы=383–393|isbn=0849334055}}</ref>

=== Элементы ядерного топлива <!-- Nuclear fuel elements --> ===
Карбид кремния часто используется в качестве слоя из триструктурально-изотропного покрытия для элементов ядерного топлива в высокотемпературных газовых реакторах<!-- high temperature gas cooled reactors --> или в очень высокотемпературных реакторах<!-- Very high temperature reactor -->. Карбид кремния обеспечивает механическую устойчивость к топливу и является основным барьером для диффузии продуктов деления<ref>{{статья|автор=López-Honorato, E.|заглавие=TRISO coated fuel particles with enhanced SiC properties|тип=Journal of Nuclear Materials|год=2009|страницы=219|doi=10.1016/j.jnucmat.2009.03.013}}</ref>.

=== Ювелирные изделия ===
[[Файл:MoissaniteRoundJewel.jpg|thumb|220px|left|Синтетический [[муассанит]]]]
Как драгоценный камень карбид кремния используется в ювелирном деле: называется «синтетический муассанит» или просто «муассанит». Муассанит похож на алмаз: он прозрачен и тверд (9-9,5 по [[Шкала Мооса|шкале Мооса]], по сравнению с 10 для алмаза), с [[Показатель преломления|показателем преломления]] 2,65-2,69 (по сравнению с 2,42 для [[алмаз]]а).
Муассанит имеет несколько более сложную структуру, чем обычный [[Фианит|кубический цирконий]]. В отличие от алмаза, муассанит может иметь сильное [[Двойное лучепреломление|двулучепреломление]].
Это качество является желательным в некоторых оптических конструкциях, но только не в драгоценных камнях.
По этой причине муассанитовые драгоценности разрезают вдоль [[Оптическая ось|оптической оси]] кристалла, чтобы свести к минимуму эффект двупреломления.
Муассанит имеет более низкую плотность 3,21 г/см³ (против 3,53 г/см³ для [[алмаз]]а) и гораздо более устойчив к теплу.
В результате получается камень с большим [[Блеск минерала|блеском минерала]], с четкими гранями и хорошей устойчивостью к внешним воздействиям<!-- а) гибкость, упругость, эластичность, б) устойчивость (к внешним воздействиям). Синоним:elasticity -->.
В отличие от алмаза, который горит при температуре 800 °C, муассанит остается неповрежденным вплоть до температуры в 1800 °C (для сравнения: 1064 °C — температура плавления чистого [[Золото|золота]]).
Муассанит стал популярен как заменитель алмаза, и может быть ошибочно принят за алмаз, так как его [[теплопроводность]] гораздо ближе к алмазу, чем у любого другого заменителя бриллианта. Драгоценный камень можно отличить от алмаза с помощью его двулучепреломления и очень небольшой зеленой или желтой [[Флуоресценция|флуоресценции]] в ультрафиолетовом свете <ref name="don">{{книга|автор=O'Donoghue, M.|заглавие=Gems|ссылка=http://books.google.com/books?id=ZwcM5H-wHNoC&pg=PA89|издание=Elsevier|год=2006|страницы=89|isbn=0-75-065856-8}}</ref>.

=== Производство [[Сталь|стали]] ===
Карбид кремния выступает в качестве топлива для изготовления [[Сталь|стали]] в [[Конвертерное производство|конвертерном производстве]]. Он чище чем [[уголь]], что позволяет сократить отходы производства. Также может быть использован для повышения температуры и регулирования содержания [[углерод]]а. Использование карбида кремния стоит меньше и позволяет производить чистую сталь из-за низкого уровня содержантя микроэлементов, по сравнению с [[Ферросилиций|ферросилицием]] и сочетанием с углеродом<ref>{{cite web|url=http://www.millerandco.com/products/briquettes_steel/|title=Silicon carbide (steel industry)|lang=английский}}</ref>.

=== [[Катализатор]] ===
Естественная [[резистентность]] карбида кремния к окислению, а также открытие новых путей синтеза кубической формы β-SiC с большей площадью поверхности, приводит к большому интересу в использовании его в качестве гетерогенного катализатора. Эта форма уже использовалась в качестве катализатора при окислении углеводородов, таких как [[н-бутан]], [[малеиновый ангидрид]]<ref>{{книга|автор=Rase, Howard F.|заглавие=Handbook of commercial catalysts: heterogeneous catalysts|ссылка=http://books.google.com/books?id=s_1SomN_GVQC&hl=en|издательство=CRC Press|год=2000|страницы=258|isbn=0849394171}}</ref><ref>{{статья|автор=Singh, S. K.; Parida, K. M.; Mohanty, B. C.; Rao, S. B.|заглавие=High surface area silicon carbide from rice husk: A support material for catalysts|ссылка=http://www.springerlink.com/content/wu66736471800223/|тип=Reaction Kinetics and Catalysis Letters|год=1995|страницы=29|doi=10.1007/BF02071177}}</ref>.

=== Производство [[графен]]а ===
Карбид кремния используется для производства графена с помощью графитизации при высоких температурах. Это производство рассматривается как один из перспективных методов синтеза графена в больших масштабах для практических применений<ref>{{книга|автор=de Heer, Walt A.|заглавие=Handbook of Nanophysics|ссылка=http://www.physics.gatech.edu/npeg/publications/deHeerReviewfinal.pdf|место=Epitaxial graphene|издательство=Taylor and Francis|год=2010|isbn=1420075381}}</ref><ref>{{статья|автор=de Heer, Walt A.|заглавие=Epitaxial graphene|ссылка=http://www.physics.gatech.edu/npeg/publications/DeHeerSSC07.pdf|тип=Solid State Communications|год=2007|страницы=92|doi=10.1016/j.ssc.2007.04.023}}</ref>.

== Примечания ==
{{примечания}}

Версия от 16:24, 3 мая 2010

Карбид кремния
Изображение химической структуры
Общие
Хим. формула SiC
Физические свойства
Состояние от прозрачного до черного, в зависимости от чистоты
Молярная масса 40.0962 г/моль
Плотность 3.21[1]
Твёрдость 9 и 9,5
Энергия ионизации 9,3 ± 0,1 эВ[2]
Термические свойства
Температура
 • плавления (с разл.) 2730 °C
 • сублимации 4892 ± 1 ℉[2]
Давление пара 0 ± 1 мм рт.ст.[2]
Химические свойства
Растворимость
 • в воде нерастворим
 • в кислотах нерастворим
Оптические свойства
Показатель преломления 2.55[3]
Классификация
Рег. номер CAS 409-21-2
PubChem
Рег. номер EINECS 206-991-8
SMILES
InChI
RTECS VW0450000
ChEBI 29390
ChemSpider
Безопасность
Токсичность
NFPA 704 four-colored diamondОгнеопасность 0: Негорючее веществоОпасность для здоровья 1: Воздействие может вызвать лишь раздражение с минимальными остаточными повреждениями (например, ацетон)Реакционноспособность 0: Стабильно даже при действии открытого пламени и не реагирует с водой (например, гелий)Специальный код: отсутствует
0
1
0
NFPA 704
NFPA 704 four-colored diamondОгнеопасность 0: Негорючее веществоОпасность для здоровья 1: Воздействие может вызвать лишь раздражение с минимальными остаточными повреждениями (например, ацетон)Реакционноспособность 0: Стабильно даже при действии открытого пламени и не реагирует с водой (например, гелий)Специальный код: отсутствует
0
1
0
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

Карбид кремния (карборундум) — бинарное неорганическое химическое соединение кремния с углеродом. Химическая формула SiC. В природе встречается в виде чрезвычайно редкого минерала — муассанита. Порошок карбида кремния был получен в 1893 году. Используется как абразив, полупроводник, искусственные драгоценные камни.

Открытие и начало производства

Репликация эксперимента Г. Д. Раунда

О ранних, несистематических и часто непризнанных синтезах карбида кремния сообщали такие ученые как Деспретз (1849), Марсден (1880) и Колсон (1882 год)[4]. Широкомасштабное производство начал Эдвард Гудрич Ачесон в 1893. Он запатентовал метод получения порошкообразного карбида кремния 28 февраля 1893[5]. Ачесон также разработал электрическую печь в которой карбид кремния создается до сих пор. Он основал компанию The Carborundum Company для производства порошкообразного вещества, которое первоначально использовалось в качестве абразива [6].

Исторически первым способом использования карбидокремния было использование в качестве абразива. За этим последовало применение и в электронных устройствах. В начале 20 века карбид кремния использовался в качестве детектора в первых радиоприемниках [7]. В 1907 году Генри Джозеф Раунд создал первый светодиод, подавая напряжение на кристаллы SiC и наблюдая за желтым, зеленым и оранжевым излучением на катоде. Эти эксперименты были позже повторены О. В. Лосевым в СССР в 1923 году [8].

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 качестве небольшого включения 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, однако, он широко распространен в космосе. Это вещество распространено в пылевых облаках вокруг богатых углеродом звезд, также его много в первозданных, не подверженных изменениям, метеоритах. Карбид кремния нашли в космосе и в метеоритах, почти исключительно, в форме бета-полиморфа. Анализ зёрен карбида кремния, найденных в Мерчисонском углеродистом хондритовом метеорите, выявил аномальное изотопное соотношение углерода и кремния, что указывает на происхождение данного вещества за пределами Солнечной системы: 99 % зёрен SiC образовались около богатых углеродом звёзд принадлежащих к асимптотической ветви гигантов [11]. Карбид кремния можно часто обнаружить вокруг таких звезд по их ИК-спектрам [12].

Производство

Из-за редкости нахождения в природе муассанита, карбид кремния, как правило, имеет искусственное происхождение. Простейшим способом производства является спекание кремнезема с углеродом в графитовой электропечи Ачесона при высокой температуре 1600-2500 °C.

Синтетические кристаллы SiC ~ 3 мм в диаметре

Чистота карбида кремния, образующегося в печи Ачесона, зависит от расстояния до графитового резистора в ТЭНе. Кристаллы высокой чистоты бесцветного, бледно-желтого и зеленого цвета находятся ближе всего к резистору. На большем расстоянии от резистора цвет изменяется на синий или черный из-за примесей. Загрязнителями чаще всего являются азот и алюминий, они влияют на электропроводность полученного материала [13].

Чистый карбид кремния можно получить с помощью так называемого процесса Лели, в котором порошкообразный SiC возгоняется в атмосфере аргона при 2500 °C и осаждается на более холодной подложке в виде чешуйчатых монокристаллов размером до 2х2 см². Этот процесс дает высококачественные монокристаллы, в основном состоящие из 6H-SiC фаз (это связано высокой температурой роста). Кубический SiC, как правило, выращивается с помощью более дорогостоящего процесса — химического осаждения паров [13][14]. Чистый карбид кремния также может быть получен путем термического разложения полимера полиметилселана (SiCH3)n, в атмосфере инертного газа при низких температурах. Относительно CVD-процесса метод пиролиза более удобен, поскольку из полимера можно сформировать изделие любой формы перед запекания в керамику [15][16][17][18].

Структура и свойства

Существует примерно 250 кристаллических форм карбида кремния[19]. 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 определенной последовательности [20].

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.

Бета-модификация (β-SiC), с кристаллической структурой типа цинковой обманки (аналог структуры алмаза), образуется при температурах ниже 1700 °C [21]. До недавнего времени бета-форма имела сравнительно небольшое коммерческое использование, однако, в настоящее время в связи с использованием его в качестве гетерогенных катализаторов интерес к ней увеличивается.

Свойства основных политипов карбида кремния[3][16]
Политип 3C (β) 4H 6H (α)
Кристаллическая структура Цинковая обмана (кубич.) Гексагональная Гексагональная
Пространственная группа
Символ Пирсона
Постоянные решётки (Å)
Плотность (г/см³) 3.21 3.21 3.21
Ширина запрещенной зоны (еВ) 2.36 3.23 3.05
МОС (ГПа) 250 220 220
Теплопроводность (Вт/(см·К)) 3.6 3.7 4.9

Чистый карбид кремния бесцветен. Его оттенки от коричневого до черного цвета связаны с примесями железа. Радужный блеск кристаллов обуславливается тем, что при контакте с воздухом на их поверхности образуется плёнка из диоксида кремния, что происходит к пассивированию внешнего слоя.

Высокая температура сублимации карбидокремния (около 2700 °C) делает его пригодным для создания подшипников и частей оборудования для высокотемпературных печей. Карбид кремния не плавится при любом известном давлении. Кроме того, является весьма инертным химическим веществом.

В настоящее время существует большой интерес в использовании данного вещества в качестве полупроводникового материала в электронике, где его высокая теплопроводность, высокое электрическое поле пробоя и высокая плотность электрического тока делают его перспективным материалом для высокомощных устройств [22]. Карбид кремния имеет очень низкий коэффициент теплового расширения (4,0·10-6K) и он не испытывает фазовые переходы из-за которых может произойти разрушение монокристаллов[13].

Электропроводность

Карбид кремния является полупроводником, тип проводимости которого зависит от примесей. Проводимость n-типа получается при легировании азотом или фосфором, а p-тип — с помощью алюминия, бора, галлия или бериллия [3]. Металлическая проводимость была достигнута за счет сильного легирования бором, алюминия и азота. Сверхпроводимость была обнаружена в политипах 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B и 6H-SiC:B при одинаковой температуре — 1,5 К [23].

Химические свойства

Карбид кремния очень устойчивое вещество и в инертной атмосфере разлагается только при очень высокой температуре:

Сильно перегретый пар разлагает карбид кремния:

Концентрированные окисляющие кислоты и их смеси растворяют карбид кремния:

В присутствии кислорода щёлочи растворяют карбид кремния:

При нагревании реагирует с кислородом:

с галогенами:

с азотом:

с активными металлами:

и их пероксидами:

Использование

Абразивные и режущие инструменты

Режущие диски из карбида кремния

В современной гранильной мастерской карбид кремния является популярным абразивом из-за его прочности и низкой стоимости. В обрабатывающей промышленности из-за высокой твердости он используется в абразивной обработке таких процессов как шлифование, хонингование, водоструйная резка и пескоструйной обработки. Частицы карбида кремния ламинируются на бумагу для создания шлифовальной шкурки[24].

В 1982 году случайно был обнаружен композит, состоящий из оксида алюминия и карбида кремния, кристаллы которого растут в виде очень тонких нитей [25].

Структурные материалы

Карбид кремния используется во внутренней пластине баллистических бронежилетов

В 1980-х и 1990-х годах карбид кремния изучался в ряде научно-исследовательских программ в США, Японии и Европе для использования в высокотемпературных газовых турбинах. Компоненты были призваны заменить некоторые детали никелевых жаропрочных турбин. Тем не менее, ни один из этих проектов не привел к промышленному производству, в основном из-за низкого сопротивления ударам и низкой ударной вязкости карбида кремния [26].

Как и другие жесткие керамики (оксид алюминия и карбид бора), карбид кремния используется в композитной броне и в качестве керамической пластины в пуленепробиваемых жилетах. Тип бронежилета «Кожа дракона», созданный компанией Pinnacle Armor, использует диски из карбида кремния [27].

Автомобильные запчасти

Углерод-керамические (карбид кремния) дисковые тормоза Porsche Carrera GT

Инфильтрованый кремний в материале «композит углерод-углерод» используется для производства высококачественных «керамических» дисковых тормозов, так как способен выдерживать экстремальные температуры. Кремний вступает в реакцию с графитом в «композите углерод-углерод» становясь армированным углеродным волокном карбида кремния (C/SiC). Диски из этого материала используются на некоторых спортивных автомобилях, в том числе Porsche Carrera GT, Bugatti Veyron, Chevrolet Corvette ZR1, бентли, Феррари, Ламборджини[28]. Карбид кремния используется также в спеченных формах в дизельных фильтрах для очистки от твердых частиц[29].

Электроника

Первые электрические системы из SiC были молниеотводы в электроэнергетических системах. Эти устройства должны были обладать высоким сопротивлением до тех пор пока напряжение между ними не достигнет определенного порогового значения VT, после чего их сопротивление должно упасть до более низкого уровня и поддерживать этот уровень, пока приложенное напряжение падает ниже VT[30].

Электронные схемы элементов

Светодиод

Карбид кремния используется в сверхбыстрых, высоковольтных диодах Шоттки, N-МОП-транзисторах и в высокотемпературных тиристорах[22]. Проблемы с интерфейсом элементов основанных на диоксиде кремния препятствуют развитию N-МОП-транзисторов и IGBT, основанных на карбидокремнии. Другая проблема заключается в том, что сам SiC пробивается при высоких электрических полях в связи с образованием цепочек дефектов упаковки, но эта проблема может быть решена совсем скоро [31].

История светодиодов из SiC весьма примечательна: первые светодиоды с использованием SiC были продемонстрированы в 1907 году. Первые коммерческие светодиоды были также на основе карбида кремния. Желтые светодиоды из 3C-SiC были изготовлены в Советском Союзе в 1970-х годах[32], а синие (из 6H-SiC) по всему миру в 1980-х [33]. Производство вскоре остановилась, потому что нитрид галлия показал в 10-100 раз более яркую эмиссию. Эта разница в эффективности связана с неблагоприятной непрямой запрещенной зоной SiC, в то время как нитрид галлия имеет прямую запрещенную зону, что способствующую увеличению интенсивности свечения. Тем не менее, SiC по прежнему является одним из важных компонентов светодиодов — это популярная подложка для выращивания устройств из нитрида галлия, также он служит теплораспределителем в мощных светодиодах[33].

Астрономия

Низкий коэффициент теплового расширения, высокая прочность, жесткость и теплопроводность делает карбид кремния нужным материалом для зеркал в астрономических телескопах. Развитие технологий (химическое осаждение паров) позволило создавать диски поликристаллического карбида кремния до 3,5 метров в диаметре. Несколько телескопов уже оснащены оптикой из карбида кремния[34][35].

Пирометрия

Изображения теста пирометрии. Высота пламени 7 см

Волокна из карбида кремния используются для измерения температуры газов оптическим методом, называемым тонкой пирометрией накаливания. Измерение таким способом включает в себя размещение тонких нитей в горячем потоке газа. Нити состоят из волокон карбида кремния в диаметре 15 мкм, что примерно в 5 раз тоньше человеческого волоса. Волокна являются настолько тонкими, что они почти не мешают горению пламени; их температура остается близкой к температуре пламени. Температура от 800 до 2500 K может быть измерена таким методом[36][37].

Элементы нагревания

Ссылки на то, что карбид кремния использовался в нагревательных элементах существуют с начала 20-го века, когда они были изготовлены Карборундовой Компанией Ачесон в США и EKL в Берлине. Карбид кремния помог увеличить рабочую температуру по сравнению с металлическими нагревателями. Элементы из карбида кремния используются сегодня при плавления цветных металлов и стекла, при термической обработке металлов, флоат-стекла, при производстве керамики, электронных компонентов и т. д.[38]

Элементы ядерного топлива

Карбид кремния часто используется в качестве слоя из триструктурально-изотропного покрытия для элементов ядерного топлива в высокотемпературных газовых реакторах или в очень высокотемпературных реакторах. Карбид кремния обеспечивает механическую устойчивость к топливу и является основным барьером для диффузии продуктов деления[39].

Ювелирные изделия

Файл:MoissaniteRoundJewel.jpg
Синтетический муассанит

Как драгоценный камень карбид кремния используется в ювелирном деле: 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). Муассанит имеет несколько более сложную структуру, чем обычный кубический цирконий. В отличие от алмаза, муассанит может иметь сильное двулучепреломление. Это качество является желательным в некоторых оптических конструкциях, но только не в драгоценных камнях. По этой причине муассанитовые драгоценности разрезают вдоль оптической оси кристалла, чтобы свести к минимуму эффект двупреломления. Муассанит имеет более низкую плотность 3,21 г/см³ (против 3,53 г/см³ для алмаза) и гораздо более устойчив к теплу. В результате получается камень с большим блеском минерала, с четкими гранями и хорошей устойчивостью к внешним воздействиям. В отличие от алмаза, который горит при температуре 800 °C, муассанит остается неповрежденным вплоть до температуры в 1800 °C (для сравнения: 1064 °C — температура плавления чистого золота). Муассанит стал популярен как заменитель алмаза, и может быть ошибочно принят за алмаз, так как его теплопроводность гораздо ближе к алмазу, чем у любого другого заменителя бриллианта. Драгоценный камень можно отличить от алмаза с помощью его двулучепреломления и очень небольшой зеленой или желтой флуоресценции в ультрафиолетовом свете [40].

Производство стали

Карбид кремния выступает в качестве топлива для изготовления стали в конвертерном производстве. Он чище чем уголь, что позволяет сократить отходы производства. Также может быть использован для повышения температуры и регулирования содержания углерода. Использование карбида кремния стоит меньше и позволяет производить чистую сталь из-за низкого уровня содержантя микроэлементов, по сравнению с ферросилицием и сочетанием с углеродом[41].

Катализатор

Естественная резистентность карбида кремния к окислению, а также открытие новых путей синтеза кубической формы β-SiC с большей площадью поверхности, приводит к большому интересу в использовании его в качестве гетерогенного катализатора. Эта форма уже использовалась в качестве катализатора при окислении углеводородов, таких как н-бутан, малеиновый ангидрид[42][43].

Производство графена

Карбид кремния используется для производства графена с помощью графитизации при высоких температурах. Это производство рассматривается как один из перспективных методов синтеза графена в больших масштабах для практических применений[44][45].

Примечания

  1. Patnaik, P. Handbook of Inorganic Chemicals. — McGraw-Hill, 2002. — ISBN 0070494398.
  2. 1 2 3 http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0555.html
  3. 1 2 3 Properties of Silicon Carbide (SiC). Ioffe Institute. Ошибка в сносках?: Неверный тег <ref>: название «ioffe» определено несколько раз для различного содержимого
  4. Weimer, A. W. Carbide, nitride, and boride materials synthesis and processing. — Springer, 1997. — P. 115. — ISBN 0412540606.
  5. Acheson, G. (1893) U.S. Patent 492 767 «Production of artificial crystalline carbonaceous material»
  6. "The Manufacture of Carborundum — a New Industry". 4/7/1894. {{cite news}}: Проверьте значение даты: |date= (справка)
  7. Dunwoody, Henry H.C. (1906) U.S. Patent 837 616 «Wireless telegraph system» (silicon carbide detector)
  8. Hart, Jeffrey A.; Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha.: A History of Electroluminescent Displays.
  9. Moissan, Henri (1904). "Nouvelles recherches sur la météorité de Cañon Diablo". Comptes rendus. 139: 773—86.
  10. Di Pierro S., Gnos E., Grobety B.H., Armbruster T., Bernasconi S.M., and Ulmer P. (2003). "Rock-forming moissanite (natural α-silicon carbide)". American Mineralogist. 88: 1817—21.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
  11. Alexander, C. M. O'D. (1990). "In situ measurement of interstellar silicon carbide in two CM chondrite meteorites". Nature. 348: 715—17. doi:10.1038/348715a0.
  12. "The Astrophysical Nature of Silicon Carbide". {{cite journal}}: Cite journal требует |journal= (справка)
  13. 1 2 3 Harris, Gary Lynn. Свойства карбида кремния = Properties of silicon carbide. — United Kingdom: IEE, 1995. — 282 с. — P. 19; 170–180. — ISBN 0852968701.
  14. Byrappa, K.; Ohachi, T. Crystal growth technology. — Springer, 2003. — С. 180-200. — ISBN 3540003673.
  15. Pitcher, M. W.; Joray, S. J.; Bianconi, P. A. Smooth Continuous Films of Stoichiometric Silicon Carbide from Poly(methylsilyne) // журнал Advanced Materials. — 2004. — С. 706. — doi:10.1002/adma.200306467.
  16. 1 2 Park, Yoon-Soo. SiC materials and devices. — Academic Press, 1998. — С. 20–60. — ISBN 0127521607. Ошибка в сносках?: Неверный тег <ref>: название «prop» определено несколько раз для различного содержимого
  17. Bunsell, A. R.; Piant, A. A review of the development of three generations of small diameter silicon carbide fibres // Journal of Materials Science. — 2006. — С. 823. — doi:10.1007/s10853-006-6566-z.
  18. Laine, Richard M. Preceramic polymer routes to silicon carbide. — Babonneau, Florence: Chemistry of Materials, 1993. — С. 260. — doi:10.1021/cm00027a007.
  19. Cheung, Rebecca. Silicon carbide microelectromechanical systems for harsh environments. — Imperial College Press, 2006. — С. 3. — ISBN 1860946240.
  20. Morkoç, H.; Strite, S.; Gao, G. B.; Lin, M. E.; Sverdlov, B.; Burns, M. Large-band-gap SiC, III-V nitride, and II-VI ZnSe-based semiconductor device technologies. — Journal of Applied Physics, 1994. — С. 1363. — doi:10.1063/1.358463.
  21. Muranaka, T. Superconductivity in carrier-doped silicon carbide : free download. — Sci. Technol. Adv. Mater., 2008. — doi:10.1088/1468-6996/9/4/044204.
  22. 1 2 Bhatnagar, M.; Baliga, B.J. Comparison of 6H-SiC, 3C-SiC, and Si for power devices. — IEEE Transactions on Electron Devices, Март 1993. — Вып. 3. — С. 645–655. — doi:10.1109/16.199372. Ошибка в сносках?: Неверный тег <ref>: название «baliga» определено несколько раз для различного содержимого
  23. Kriener, M. Superconductivity in heavily boron-doped silicon carbide (англ.) // Sci. Technol. Adv. Mater. : журнал. — 2008. — Вып. 9. — С. 044205. — doi:10.1088/1468-6996/9/4/044205.
  24. Fuster, Marco A. (1997) «Skateboard grip tape», U.S. Patent 5 622 759
  25. Bansal, Narottam P. Handbook of ceramic composites. — Springer, 2005. — С. 312. — ISBN 1402081332.
  26. "Ceramics for turbine engines".
  27. Dragon Skin – Most Protective Body Armor – Lightweight. Future Firepower.
  28. Top 10 Fast Cars.
  29. O'Sullivan, D.; Pomeroy, M.J.; Hampshire, S.; Murtagh, M.J. Degradation resistance of silicon carbide diesel particulate filters to diesel fuel ash deposits // MRS proceedings. — 2004. — Вып. 19. — С. 2913–2921. — doi:10.1557/JMR.2004.0373.
  30. Whitaker, Jerry C. The electronics handbook. — CRC Press, 2005. — С. 1108. — ISBN 0849318890.
  31. Madar, Roland. Materials science: Silicon carbide in contention : Журнал Nature. — 2004-08-26. — Вып. 430. — С. 974–975. — doi:10.1038/430974a.
  32. Yellow SiC LED.
  33. 1 2 Stringfellow, Gerald B. High brightness light emitting diodes. — Academic Press, 1997. — С. 48, 57, 425. — ISBN 0127521569.
  34. "The largest telescope mirror ever put into space". European Space Agency.
  35. Petrovsky, G. T. 2.7-meter-diameter silicon carbide primary mirror for the SOFIA telescope. — Журнал Proc. SPIE. — С. 263.
  36. "Thin-Filament Pyrometry Developed for Measuring Temperatures in Flames" (англ.). NASA.
  37. Maun, Jignesh D.; Sunderland, PB; Urban, DL. Thin-filament pyrometry with a digital still camera : Applied Optics. — 2007. — Вып. 4. — С. 483. — doi:10.1364/AO.46.000483. — PMID 17230239.
  38. Yeshvant V. Deshmukh. Industrial heating: principles, techniques, materials, applications, and design. — CRC Press, 2005. — С. 383–393. — ISBN 0849334055.
  39. López-Honorato, E. TRISO coated fuel particles with enhanced SiC properties : Journal of Nuclear Materials. — 2009. — С. 219. — doi:10.1016/j.jnucmat.2009.03.013.
  40. O'Donoghue, M. Gems. — Elsevier. — 2006. — С. 89. — ISBN 0-75-065856-8.
  41. Silicon carbide (steel industry) (англ.).
  42. Rase, Howard F. Handbook of commercial catalysts: heterogeneous catalysts. — CRC Press, 2000. — С. 258. — ISBN 0849394171.
  43. Singh, S. K.; Parida, K. M.; Mohanty, B. C.; Rao, S. B. High surface area silicon carbide from rice husk: A support material for catalysts : Reaction Kinetics and Catalysis Letters. — 1995. — С. 29. — doi:10.1007/BF02071177.
  44. de Heer, Walt A. Handbook of Nanophysics. — Epitaxial graphene: Taylor and Francis, 2010. — ISBN 1420075381.
  45. de Heer, Walt A. Epitaxial graphene : Solid State Communications. — 2007. — С. 92. — doi:10.1016/j.ssc.2007.04.023.