Кремний карбиді (SiC) ұнтағы: қасиеттері, өнеркәсіптік қолданылуы

Халықаралық сатып алушылар мен сатып алу менеджерлері үшін кремний карбиді ұнтағының нюанстарын түсіну тек техникалық талап емес, бұл бәсекелестік қажеттілік. Ол болат балқытуда тотықсыздандырғыш, өнімділігі жоғары абразив немесе электрлік көліктің (EV) электр электроникасындағы маңызды компонент ретінде пайдаланылса да, SiC қаттылықтың, жылу өткізгіштіктің және химиялық тұрақтылықтың бірегей комбинациясын ұсынады.

Кремний карбиді (SiC) дегеніміз не?

Кремний карбиді - кремний мен көміртектен тұратын күрделі жартылай өткізгіш. Табиғатта бұл өте сирек кездеседі, тек метеориттердің белгілі бір түрлерінде және корунд шөгінділерінде іздік мөлшерде кездеседі. Демек, өнеркәсіпте қолданылатын кремний карбидінің барлығы дерлік синтетикалық жолмен өндіріледі.

Кристаллдық құрылым

SiC бірегей, өйткені ол полиморфизмді көрсетеді, яғни ол 250-ден астам кристалдық формада болуы мүмкін. Ең көп таралған құрылымдарға мыналар жатады:

Альфа кремний карбиді (α-SiC): алтыбұрышты кристалдық құрылымымен сипатталатын ең көп таралған полиморф. Ол 1700°С жоғары температурада тұрақты.

Бета кремний карбиді (β-SiC): Бұл пішін текше кристалды құрылымға ие (гауһарға ұқсас) және 1700 ° C төмен температурада қалыптасады.

Негізгі физикалық және химиялық қасиеттері

SiC ұнтағы неге соншалықты сұранысқа ие? Оның өнімділік көрсеткіштері теңдесі жоқ:

Өте қаттылық: 9,0-ден 9,5-ке дейінгі Mohs қаттылығымен ол алмас пен бор карбидінен кейін екінші орында.

Жоғары жылу өткізгіштік: SiC көптеген металдарға қарағанда жылуды тез таратады, бұл оны жоғары температуралы орталар үшін өте қолайлы етеді.

Төмен термиялық кеңею: ол кенеттен температураның өзгеруі кезінде деформацияға немесе жарылуға қарсы тұрады (жылу соққысына тамаша төзімділік).

Химиялық инерттілік: қышқылдардан, сілтілерден және балқытылған тұздардан, тіпті жоғары температурада да коррозияға өте төзімді.

Жартылай өткізгіштік қасиеттері: Көптеген басқа абразивтерден айырмашылығы, SiC - кең жолақты жартылай өткізгіш, ол энергетикалық электроника өнеркәсібінде төңкеріс жасайды.

Өндіріс процесі: Ачесон әдісі және одан тыс

Жоғары тазалықтағы өндіріскремний карбиді ұнтағыкапиталды көп қажет ететін және энергияны көп қажет ететін процесс.

Ачесон процесі

1891 жылы Эдвард Гудрих Ачесон ойлап тапқан бұл кең ауқымды өндірістің негізгі әдісі болып қала береді.

Шикізат: Жоғары таза кремнеземдік құм (SiO2) және мұнай коксы (С) араласады. Кейбір жағдайларда кеуектілікті бақылау және қоспаларды кетіру үшін үгінділер мен тұз қосылады.

Электр пеші: қоспасы қарсылық пешіне орналастырылған. Электр тогы графит өзегі арқылы өтіп, қоршаған қоспаны 1700°С пен 2500°C температураға дейін қыздырады.

Химиялық реакция: SiO2 + 3C → SiC + 2CO реакциясы жүреді.

Жинау: Пеш салқындаған соң, SiC кристалдарының үлкен «цилиндрлік» массасы пайда болады. Өзегі ең жоғары тазалықты (Жасыл SiC) қамтиды, ал сыртқы қабаттар Қара SiC береді.

Ұнтаққа өңдеу

Шикі кристалдар жиналғаннан кейін олар өңдеудің бірнеше сатысынан өтеді:

Ұнтақтау және фрезерлеу: кристалдарды ұнтаққа дейін азайту үшін иекті ұсатқыштарды, балғалы диірмендерді немесе шарлы диірмендерді пайдалану.

Бағалау (өлшем): ұнтақтың нақты ұнтақ өлшемдеріне (мысалы, FEPA, JIS немесе ANSI стандарттары) сәйкес келетініне көз жеткізу үшін діріл экрандарын немесе ауа жіктеуіштерін пайдалану.

Қышқылды жуу және тазарту: темірдің, бос кремнийдің немесе көміртектің қалдықтарын кетіру үшін ұнтақ 98%-дан 99,9%-ға дейінгі тазалық деңгейіне жету үшін жиі химиялық заттармен өңделеді.

Қара және жасыл кремний карбиді: айырмашылықты түсіну

Әлемдік нарықта SiC ұнтағы әдетте оның тазалығы мен мақсатын көрсететін түсі бойынша жіктеледі.

Қара кремний карбиді (қара SiC)

Қара SiC шамамен 95% - 98% SiC қамтиды. Оның күңгірт түсі темір мен көміртегі қоспаларының аз мөлшерде болуына байланысты.

Сипаттамалары: жасыл SiC қарағанда сәл қаттырақ, бірақ сынғыш.

Ең қолайлысы: Шойын, түсті металдар (мыс, алюминий) және металл емес материалдар (тас, резеңке, ағаш) сияқты беріктігі жоғары материалдарды ұнтақтау. Бұл сонымен қатар металлургиялық тотықсыздандыру үшін негізгі таңдау болып табылады.

Жасыл кремний карбиді (жасыл SiC)

Жасыл SiC – тазалығы жоғары нұсқа, әдетте SiC мазмұны 99%-дан асады.

Сипаттамалары: қара SiC салыстырғанда жоғары қаттылық және жоғары кесу күші.

Ең қолайлысы: Вольфрам карбиді, оптикалық шыны, керамика және жартылай өткізгіш пластиналар сияқты қатты және сынғыш материалдарды дәлдікпен ұнтақтау.

Негізгі өнеркәсіптік қолданбалар

Металлургия және болат құю

Металлургия өнеркәсібінде SiC ұнтағы күшті тотықсыздандырғыш және күмбез бен электр доғалық пештерде отын көзі ретінде қызмет етеді.

Артықшылықтары: балқытылған металдың өтімділігін жақсартады, кремний мен көміртекті қалпына келтіру жылдамдығын арттырады және балқыту процесінің жалпы энергия шығынын азайтады.

Шойын өндірісі: Ол жоғары сапалы сұр және иілгіш шойын құймаларына әкелетін графит үлпектерінің пайда болуына ықпал етеді.

Абразивтер және бетті әрлеу

Бұл, мүмкін, SiC ұнтағының ең дәстүрлі қолданылуы.

Біріктірілген абразивтер: тегістеу дөңгелектері мен кесу дискілерін өндіру үшін қолданылады.

Қапталған абразивтер: Тегістеу қағаздары мен жылтырату белдіктерінде қолданылады.

Тегістеу және жылтырату: Жұқа SiC ұнтақтары клапандарды, тісті доңғалақтарды және жартылай өткізгіш негіздерді дәл сылау үшін «шұңқырларда» қолданылады.

Отқа төзімді материалдар және керамика

Жоғары балқу температурасына (шамамен 2700°C температурада сублимацияланады) және төмен термиялық кеңеюіне байланысты SiC отқа төзімді материал болып табылады.

Пештің жиһазы: SiC тақталары мен арқалықтар керамикалық пештерде қолданылады, өйткені олар өте жоғары температурада ауыр жүктемелерде деформацияланбайды.

Техникалық керамика: оқ өткізбейтін кеудешелерде, сорғыларға арналған тығыздағыш сақиналарда және автомобиль тежегіш дискілерде қолданылады.

Жетілдірілген электроника (SiC революциясы)

21 ғасырда жартылай өткізгіш өнеркәсібіне SiC сұранысының өсуі байқалды.

Қуат құрылғылары: SiC негізіндегі MOSFET және диодтар дәстүрлі кремний компоненттеріне қарағанда тиімдірек. Олар электрлік көліктердегі (EV) жылдам зарядтау жүйелері мен инверторлар үшін өте маңызды.

5G инфрақұрылымы: SiC жоғары жиілікті 5G базалық станцияларын қуаттандыратын SiC құрылғыларындағы галлий нитриді (GaN) үшін субстрат ретінде қызмет етеді.

SiC ұнтағының жаһандық сапа стандарттары

Дереккөзді алу кезіндеSiC ұнтағыхалықаралық деңгейде сатып алушылар әртүрлі бағалау жүйелерін шарлауы керек:

FEPA (Еуропалық абразивтер өндірушілер федерациясы): «F» (байланысқан абразивтер үшін) және «P» (жабылған абразивтер үшін) префикстерін (мысалы, F240, P1200) пайдаланады.

JIS (Жапондық өнеркәсіп стандарты): Азиялық нарықтарда кең таралған (мысалы, №3000).

ANSI (Американдық ұлттық стандарттар институты): Солтүстік Америка нарығы үшін стандартталған.

Тазалық деңгейлері маңызды:

Металлургиялық дәрежесі: 88%-95%SiC.

Абразивті дәрежесі: 96%-98,5%SiC.

Жоғары тазалық/Керамикалық сорт: 99%SiC.

Кремний карбиді ұнтағы қарапайым абразивтен әлдеқайда көп. Бұл дәстүрлі ауыр өнеркәсіп пен таза энергияның болашағы арасындағы алшақтықты өтейтін жоғары технологиялық материал. Оның сорттарын, өндіру әдістерін және қолданылуын түсіну арқылы металлургия мамандары мен сатып алу мамандары өз операциялары мен өнім сапасын оңтайландыру үшін дұрыс өнімді таңдай алады.