Что такое карбид кремния?

1. Введение в карбид кремния (SiC)

Карбид кремния (SiC), также известный как карборунд, представляет собой синтетическое керамическое соединение кремния и углерода. Обладая исключительной твердостью (по шкале Мооса 9,5), теплопроводностью (120-270 Вт/м·К) и химической инертностью, он является краеугольным камнем для высокопроизводительных абразивов, полупроводников и огнеупорной промышленности.

Основные характеристики:

Типы: черный SiC (грубый, экономичный) против зеленого SiC (высокой чистоты, премиум).

Кристаллическая структура: гексагональный α-SiC (наиболее распространенный) против кубического β-SiC (специализированные применения).

Синтез: процесс Ачесона (2200–2500 °C) или химическое осаждение из паровой фазы (CVD).

2. Производственный процесс

2.1 Метод Ачесона:

Сырьевые материалы: кварцевый песок (SiO₂) + нефтяной кокс (C) + опилки (контроль пористости).

Процесс: электросопротивление при 2400°C в течение 36+ часов.

Выход: дробленый, сортированный по крупке (F8–F2000).

2.2 Очистка зеленого SiC:

Очистка: кислотное выщелачивание (HCl/HF) для снижения примесей (Fe₂O₃ <0,2%).

Области применения: прецизионная оптика, полупроводниковые пластины.

Типичная чистота SiC черного SiC составляет ≥ 98%, а содержание свободного углерода ≤ 0,3%. Он в основном подходит для обработки сцен с крупным и средним размером частиц F8-F220. Зеленый SiC, посредством процесса очистки кислотной промывкой, может повысить свою чистоту SiC до ≥ 99,5% со строго контролируемым содержанием свободного углерода ≤ 0,1%. Диапазон размеров частиц сосредоточен в диапазоне сверхтонких частиц F240-F2000, разработанном специально для точной полировки и требований высокой чистоты.

3. Технические свойства и преимущества

Твердость: 9,5 по шкале Мооса (уступает только алмазу и нитриду бора).

Устойчивость к тепловому удару: выдерживает быстрые перепады температур (ΔT >1000°C).

Электропроводность: полупроводниковые свойства позволяют использовать его в силовой электронике.

Сравнение характеристик карбида кремния и оксида алюминия (Al ₂ O3)

Карбид кремния превосходит традиционные материалы на основе оксида алюминия по нескольким ключевым свойствам:

Твердость: твердость по шкале Мооса карбида кремния достигает 9,5, что значительно выше, чем 9,0 оксида алюминия, уступая только алмазу и кубическому нитриду бора.

Теплопроводность: теплопроводность карбида кремния составляет 120–270 Вт/м·К, что более чем в 6 раз больше, чем у оксида алюминия (20–30 Вт/м·К). Он может быстро рассеивать тепло и избегать термических повреждений.

Стоимость: оксид алюминия имеет ценовое преимущество благодаря простоте сырья и процессов, в то время как высокие характеристики карбида кремния делают его незаменимым в прецизионной промышленности и полупроводниковой промышленности.

4.Промышленные применения

4.1 Абразивы и шлифовка:

Черный SiC: зачистка металлов, резка камня (например, гранита, мрамора).

Зеленый SiC: полировка сапфировых линз, кремниевых пластин (Ra ≤0,05 мкм).

4.2 Огнеупоры:

Печная фурнитура, футеровка доменных печей (термическая стабильность >1600 °C).

4.3 Передовые технологии:

Полупроводники: пластины SiC для электромобилей и устройств 5G (более низкие потери энергии).

Защитная броня: легкие керамические пластины с высокой баллистической стойкостью.

Пример из практики:

Производитель солнечных панелей сократил время резки на 30 %, используя суспензию Green SiC F1500 от Yumo для получения слитков монокристаллического кремния.

5. Как правильно выбрать карбид кремния

5.1 Выбор типа:

Черный SiC: Экономичный выбор для грубой шлифовки (например, чугуна, стекла).

Зеленый SiC: Прецизионные применения (например, светодиодные подложки, оптические покрытия).

5.2 Рекомендации по размеру зерна:

Выберите подходящий размер частиц в соответствии с требованиями обработки:

Крупнозернистый (F24-F60): Используется для эффективных сценариев удаления материала, таких как снятие заусенцев с литья и резка камня, например, черновая шлифовка гранита или очистка металлических отливок.

Средний и мелкий размер частиц (F80-F220): подходит для точной шлифовки кромок инструментов и полуточной обработки керамических поверхностей, балансировки эффективности и качества поверхности.

Ультрамелкозернистый (F240 и выше): Специализируется на требованиях точности нанометрового уровня, таких как нарезка полупроводниковых пластин и полировка оптических линз, может достигать гладкости поверхности Ra ≤ 0,05 мкм.

5.3 Критерии поставщика:

Сертификаты (соответствие ISO 9001, FEPA).

Индивидуальные отчеты о размере зерна и однородности партии.

6. Часто задаваемые вопросы о карбиде кремния

В1: Токсичен ли карбид кремния?

Нет. SiC химически инертен и безопасен для промышленного использования.

В2: Может ли SiC заменить алмазные абразивы?

Да, для цветных металлов и керамики, предлагая лучшую экономическую эффективность.

В3: В чем разница между связанными и покрытыми абразивами SiC?

Связанные: для шлифовальных кругов (связующие на основе керамики/смолы).

С покрытием: для наждачной бумаги и лент.