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Pó de carboneto de silícioé uma substância inorgânica com a fórmula química SiC, CAS 409-21-2. É feito pela fundição em alta temperatura de matérias-primas como areia de quartzo, coque de petróleo (ou coque de carvão) e serragem (é necessário adicionar sal ao produzir carboneto de silício verde) por meio de um forno de resistência. É um semicondutor que existe na forma do mineral extremamente raro moissanita na natureza. Desde 1893, é produzido em larga escala na forma de pós e cristais, utilizados como abrasivos, etc. Entre os materiais refratários não óxidos de alta tecnologia, como C, N e B, é o mais utilizado e econômico, que pode ser chamado de areia de aço ou areia refratária. O produto produzido pela indústria chinesa é dividido em dois tipos: carboneto de silício preto e carboneto de silício verde, ambos cristais hexagonais.
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Fórmula Química |
C40H68Si |
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Massa Exata |
577 |
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Peso molecular |
577 |
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m/z |
577 (100.0%), 578 (43.3%), 579 (9.1%), 578 (5.1%), 579 (3.3%), 579 (2.2%), 580 (1.4%) |
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Análise Elementar |
C, 83,26; H, 11,88; Si, 4,87 |
O SiC é um material semicondutor composto binário típico, com a unidade básica de sua estrutura cristalina sendo um tetraedro quádruplo simétrico, ou seja, SiC4 ou CSi4. A distância entre átomos adjacentes de Si ou C é 3,08 Å, enquanto a distância entre átomos adjacentes de C e Si é de apenas cerca de 1 Å 89 Å. [13] Em cristais de SiC, os átomos de Si e C formam ligações covalentes tetraédricas muito fortes (energia de ligação de 4,6 eV) compartilhando pares de elétrons em orbitais hibridizados sp3.
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O carboneto de silício puro é um cristal incolor e transparente. O carboneto de silício industrial aparece em amarelo claro, verde, azul ou mesmo preto dependendo do tipo e conteúdo de impurezas que contém, e sua transparência varia de acordo com sua pureza. A estrutura cristalina do carboneto de silício é dividida em SiC hexagonal ou romboédrico - e SiC - cúbico (conhecido como carboneto de silício cúbico). Devido às diferentes sequências de empilhamento de átomos de carbono e silício em sua estrutura cristalina, - SiC forma muitas variantes diferentes, e mais de 70 foram descobertas . - SiC se transforma em - SiC acima de 2.100 graus . - SiC é a forma de cristal mais comum, enquanto - SiC pertence ao sistema de cristal cúbico, também conhecido como carboneto de silício cúbico. Até agora, o uso comercial de - SiC tem sido relativamente limitado, embora possa ser usado como transportador para catalisadores heterogêneos devido à sua maior área superficial em comparação com - SiC. O método de produção industrial de carboneto de silício consiste em refinar areia de quartzo e coque de petróleo de alta qualidade em um forno de resistência. Os blocos de carboneto de silício refinados são processados em produtos de vários tamanhos de partículas por meio de britagem, lavagem-ácido-base, separação magnética, triagem ou seleção de água.
O carboneto de silício possui quatro áreas de aplicação principais, a saber: cerâmica funcional, materiais refratários avançados, abrasivos e matérias-primas metalúrgicas. Materiais grossos de carboneto de silício já podem ser fornecidos em grandes quantidades e não podem ser considerados produtos de alta-tecnologia, enquanto a aplicação de nanoescalapós de carboneto de silíciocom conteúdo tecnológico extremamente elevado não podem formar economias de escala no curto prazo.
Aplicação principal: Usado para corte de fio de silício monocristalino de 3-12 polegadas, silício policristalino, arseneto de potássio, cristais de quartzo, etc. Materiais de processamento de engenharia para indústria solar fotovoltaica, indústria de semicondutores e indústria de cristal piezoelétrico.
Usado em áreas como semicondutores, pára-raios, componentes de circuitos, aplicações de alta-temperatura, detectores ultravioleta, materiais estruturais, astronomia, freios a disco, embreagens, filtros de partículas diesel, pirômetros de fio fino, filmes cerâmicos, ferramentas de corte, elementos de aquecimento, combustíveis nucleares, joias, aço, equipamentos de proteção, transportadores de catalisadores, etc.
Ferramentas abrasivas e de retificação:
Usado principalmente para retificação e polimento de rebolos, lixas, cintas de areia, pedras de óleo, blocos de retificação, cabeçotes de retificação, pastas de retificação, bem como silício monocristalino, silício policristalino e cristais piezoelétricos na indústria eletrônica para produtos fotovoltaicos.
Indústria química:
Pode ser usado como desoxidante para siderurgia e modificador de estrutura de ferro fundido. Também pode ser utilizado como matéria-prima para a fabricação de tetracloreto de silício e é a principal matéria-prima para a indústria de resinas de silicone.
O desoxidante de carboneto de silício é um novo tipo de desoxidante composto forte que substitui o tradicional pó de silício e pó de carbono para desoxidação. Comparado com o processo original, possui propriedades físicas e químicas mais estáveis, bom efeito de desoxidação, tempo de desoxidação reduzido, economia de energia, maior eficiência da siderurgia, melhor qualidade do aço, redução do consumo de matérias-primas e auxiliares, redução da poluição ambiental, melhoria das condições de trabalho e aumento dos benefícios econômicos abrangentes dos fornos elétricos, todos com valor importante.
Material condutor térmico:
A condutividade térmica dos materiais de SiC, como a maioria dos sólidos dielétricos, é influenciada principalmente pela transmissão de ondas termoelásticas (conhecidas como fônons). A condutividade térmica dos materiais de SiC depende principalmente de: 1) a quantidade de auxiliares de sinterização, razão estequiométrica, propriedades químicas e espessura e cristalinidade do limite de grão relacionado; 2) Tamanho do grão; 3) Tipos e concentrações de átomos de impureza em cristais de SiC; 4) Atmosfera de sinterização; 5) Tratamento térmico após sinterização, etc.
O SiC possui excelentes propriedades, como alta condutividade térmica, amplo bandgap, alta taxa de migração de saturação de elétrons e alto campo elétrico de ruptura crítica.
Seu excelente desempenho abrangente compensa as deficiências dos materiais e dispositivos semicondutores tradicionais em aplicações práticas e tem amplas perspectivas de aplicação em áreas como veículos elétricos e chips de comunicação móvel. Devido à sua maior confiabilidade, maior temperatura operacional, tamanho menor e maior tolerância de tensão, o SiC pode ser aplicado a dispositivos de energia, como placas de acionamento principal, carregadores de carro e módulos de energia, melhorando significativamente a eficiência e aumentando o alcance dos veículos elétricos. Ao mesmo tempo, o SiC tem boa condutividade térmica, e o uso de dispositivos de energia semicondutores de SiC pode reduzir o tamanho da bateria e converter energia de forma mais eficaz, reduzindo assim o custo dos dispositivos de montagem. A cerâmica SiC, como material cerâmico estrutural de alto-desempenho, possui excelentes propriedades térmicas e pode ser amplamente utilizada em indústrias de resistência a altas temperaturas, aquecimento e troca de calor.
Três materiais resistentes:
Ao utilizar as características de resistência à corrosão, resistência a altas temperaturas, alta resistência, boa condutividade térmica e resistência ao impacto do carboneto de silício, ele pode ser usado para vários revestimentos de fornos de fundição, componentes de fornos de alta-temperatura, placas de carboneto de silício, revestimentos, suportes, panelas, cadinhos de carboneto de silício, etc.
Por outro lado, materiais de aquecimento indireto-de alta temperatura podem ser usados na-indústria de fundição de metais não ferrosos, como fornos de destilação verticais, bandejas de fornos de destilação, tanques de eletrólise de alumínio, revestimentos de fornos de fusão de cobre, placas de arco para fornos de zinco em pó, tubos de proteção de termopares, etc; Usado para produzir materiais cerâmicos avançados de carboneto de silício que são-resistentes ao desgaste, à corrosão-e a altas-temperaturas; Também pode ser usado para fazer bicos de foguetes, pás de turbinas a gás, etc. Além disso, o carboneto de silício também é um dos materiais ideais para aquecedores solares de água em rodovias, pistas de aeronaves, etc.
Aço:
Ao utilizar as características de resistência à corrosão, resistência ao choque térmico, resistência ao desgaste e boa condutividade térmica do carboneto de silício, seu uso em grandes revestimentos de alto-forno melhorou sua vida útil.
Beneficiamento metalúrgico:
Pó de carboneto de silíciotem uma dureza que perde apenas para o diamante e tem forte resistência ao desgaste. É um material ideal para tubulações-resistentes ao desgaste, impulsores, câmaras de bomba, ciclones e revestimentos de tremonha de mineração. Sua resistência ao desgaste é 5 a 20 vezes maior que a do ferro fundido e da borracha, sendo também um dos materiais ideais para pistas de aviação.
Conservação de energia:
Ao utilizar boa condutividade térmica e estabilidade como trocador de calor, o consumo de combustível é reduzido em 20%, a economia de combustível é de 35% e a produtividade aumenta de 20 a 30%.
O tamanho e a composição das partículas abrasivas devem estar em conformidade com GB/T2477-83. O método para determinar a composição granulométrica de abrasivos deve estar em conformidade com GB/T2481-83.
Joia:
A moissanita sintética, também conhecida como moissanita sintética ou sílica de carbono sintética (composição química SiC), tem uma dispersão de 0,104, que é maior que o diamante (0,044) e um índice de refração de 2,65-2,69 (2,42 para diamante). Tem o mesmo brilho do diamante e uma "cor de fogo" mais forte, mais próxima do diamante do que qualquer réplica anterior.
A história do desenvolvimento depó de carboneto de silíciomateriais de cristal já dura mais de cem anos. Em 1892, Acheson inventou um método para sintetizar pó de SiC usando dióxido de silício e carbono. Nesse método, foi descoberto um subproduto, que era um material semelhante a uma folha-de SiC. No entanto, esses materiais semelhantes a folhas de SiC tinham baixa pureza e tamanho pequeno e não podiam ser usados para preparar dispositivos semicondutores. Até 1955, Lel cultivou com sucesso cristais de SiC relativamente puros através da tecnologia de sublimação, também conhecida como método Lely. No entanto, devido ao pequeno tamanho e às diferenças significativas de desempenho dos materiais em folha de SiC preparados pelo método Lely, ele não pode se tornar uma tecnologia comercial para o cultivo de monocristais de SiC.
Durante o período de 1978-1981, Tarov e Tsvetkov fizeram melhorias com base no método Lely, introduzindo um cristal semente no forno de sublimação e projetando um gradiente de temperatura adequado com base em considerações termodinâmicas e cinéticas para controlar o transporte de material da fonte de SiC para o cristal semente. Este processo de crescimento é chamado de método Lely melhorado, também conhecido como método de sublimação de cristal de semente ou método de transferência física de vapor (PVT). As pessoas podem obter cristais de SiC com diâmetros maiores e menor densidade de defeitos através deste método. Com a melhoria contínua da tecnologia de crescimento, as empresas que alcançaram a industrialização usando este método incluem Cree dos Estados Unidos, Dowcorning, SiCrystal da Alemanha, Nippon Steel do Japão e Shandong Tianyue e Tianke Heda da China.
Devido ao seu baixo teor natural, o carboneto de silício é principalmente artificial. O método comum é misturar areia de quartzo com coque, usar dióxido de silício e coque de petróleo, adicionar sal e serragem, colocá-la em um forno elétrico, aquecê-la a uma temperatura alta de cerca de 2.000 graus C e obter micro pó de carboneto de silício por meio de vários processos químicos.
O carboneto de silício (SiC) tornou-se um abrasivo importante devido à sua alta dureza, mas sua faixa de aplicação excede a dos abrasivos gerais. Por exemplo, sua resistência a altas temperaturas e condutividade térmica o tornam um dos materiais preferidos para fornos de túnel ou fornos vaivém, e sua condutividade o torna um importante elemento de aquecimento elétrico.
O primeiro passo na preparação de produtos de SiC é preparar blocos de fundição de SiC, também conhecidos como partículas de SiC. Devido à presença de C e superduras, as partículas de SiC já foram chamadas de areia de diamante. Porém, deve-se destacar que sua composição é diferente da areia diamantada natural (pedra de romã). Na produção industrial, os blocos de fundição de SiC são geralmente feitos de matérias-primas como quartzo e coque de petróleo, com materiais auxiliares de recuperação e resíduos. Após a moagem e outros processos, eles são misturados em materiais de forno com proporções razoáveis e tamanhos de partículas apropriados (para ajustar a permeabilidade dos materiais de forno, uma quantidade adequada de serragem precisa ser adicionada, e ao preparar carboneto de silício verde, uma quantidade apropriada de sal precisa ser adicionada) e preparados em altas temperaturas.
O equipamento térmico para preparação de blocos de fundição de SiC em alta-temperatura é um forno elétrico especializado de carboneto de silício, que consiste em um fundo de forno, paredes finais com eletrodos embutidos na superfície interna, paredes laterais destacáveis e um corpo central do forno (nome completo: o elemento de aquecimento eletricamente carregado no centro do forno elétrico, geralmente instalado no centro do material do forno com pó de grafite ou coque de petróleo em um determinado formato e tamanho, geralmente circular ou retangular. Suas duas extremidades são conectadas ao eletrodos). O método de queima usado neste forno elétrico é comumente conhecido como queima de pólvora enterrada. Assim que for ligado, o aquecimento começa. A temperatura do núcleo do forno é de cerca de 2.500 graus, ou até mais alta (2.600-2700 graus).
Quando a carga do forno atinge 1.450 graus, a síntese de SiC começa (mas o SiC é formado principalmente em temperaturas maiores ou iguais a 1.800 graus) e o CO é liberado. No entanto, quando a temperatura for maior ou igual a 2.600 graus, o SiC se decomporá e o Si decomposto reagirá com o C na carga do forno para formar SiC. Cada grupo de fornos elétricos é equipado com um conjunto de transformadores, mas durante a produção apenas um único forno elétrico é alimentado com energia para ajustar a tensão de acordo com as características da carga elétrica para manter uma potência basicamente constante. Fornos elétricos de alta potência precisam ser aquecidos por cerca de 24 horas e, após uma queda de energia, a reação para gerar SiC está basicamente concluída. Após um período de resfriamento, as paredes laterais podem ser removidas e, em seguida, os materiais do forno podem ser removidos gradualmente.
Após a calcinação em alta-temperatura, os materiais do forno de fora para dentro são os seguintes:
Material não reagido (servindo como isolamento no forno), carboneto de silício de oxigênio (material semi-reativo, composto principalmente de C e SiO), camada de ligação (uma camada de material firmemente ligada, composta principalmente de C, SiO2, 40% ~ 60% SiC e carbonatos de Fe, Al, Ca, Mg), camada amorfa (composta principalmente de 70% ~ 90% SiC, que é SiC cúbico ou - SiC, e o restante são carbonatos de C, SiO2, Fe, A1, Ca, Mg) e camada de SiC de segundo grau (composta principalmente de 90% ~ 95% de SiC, que formou SiC hexagonal, mas os cristais são pequenos e frágeis). Não pode ser usado como abrasivo), SiC de primeiro grau (conteúdo de SiC<96%, and it is a coarse crystal of hexagonal SiC or α - SiC), and furnace core graphite.
Nas-camadas de materiais mencionadas acima, os materiais que não reagiram e uma porção dos materiais da camada de carboneto de silício de oxigênio são geralmente coletados como materiais gastos, enquanto outra porção dos materiais da camada de carboneto de silício de oxigênio é coletada juntamente com materiais amorfos, produtos secundários e alguns materiais de ligação como materiais reciclados. Alguns materiais de ligação que estão firmemente ligados, têm blocos grandes e contêm muitas impurezas são jogados fora. Os produtos de primeira qualidade passam por classificação, britagem grossa, britagem fina, tratamento químico, secagem e peneiramento e separação magnética para se tornarem partículas de SiC pretas ou verdes de vários tamanhos de partículas. Para produzir micro pó de carboneto de silício,pó de carboneto de silíciotambém precisa passar por um processo de seleção de água; Para fabricar produtos de carboneto de silício, eles também precisam passar pelos processos de moldagem e sinterização.
Perguntas frequentes
Para que é usado o carboneto de silício?
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Historicamente, os fabricantes usam carboneto de silício em configurações de alta-temperatura para dispositivos como rolamentos, componentes de máquinas de aquecimento, freios de carros e até mesmo ferramentas para afiar facas. Em aplicações eletrônicas e semicondutores, as principais vantagens do SiC são: Alta condutividade térmica de 120-270 W/mK.
É seguro tocar em carboneto de silício?
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* O carboneto de silício pode irritar os olhos e o nariz em contato. * Existem evidências limitadas de que o carboneto de silício causa câncer em animais. Pode causar câncer nos pulmões. * Muitos cientistas acreditam que não existe um nível seguro de exposição a um agente cancerígeno.
Por que o carboneto de silício é tão caro?
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Tudo bem, então o que realmente torna o wafer de carboneto de silício tão caro? Basicamente, tudo se resume a quatro grandes coisas. O grafite, o material que mantém tudo unido no cristal de semente Furness, o DNA do pós-processamento do wafer, Todo o fatiamento, polimento e limpeza que transforma o cristal bruto em algo utilizável.
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