سیلیسیوم کاربید (SiG)

مقدمه :

امروزه تولید مواد مقاوم و با دوام در برابر عوامل محیطی از جمله خوردگی ، سایش ، تغییرات دمایی و .. متداول گشته است . از آنجایی که سیلیسیم کاربید ( SiG) ماده ای مقاوم و مناسب جهت مصارف مختلف است در این مقاله سعی در آشنا کردن شما با خواص ، تولید و ویژگی های این ماده ی ارزشمند می کنیم . امیدواریم که مطالب بیان شده کمکی هر چند کوچک در جهت بهروزی و پیشرفت مملکت بزرگ و اسلامیمان نماید .

سیلیسیم کاربید :

سیلیسیم کاربید ماده ای کریستالین ( بلوری ) با وزن ملکولی 07/40 است که از لحاظ رنگ از زرد کمرنگ یا سبز تا یاه است . که این رنگها وابسته به نوع ناخالصی های آن خاست .
صفحات هکزاگونال سبزرنگ سیلیسیم کاربید که به صورت طبیعی در فلزات شهاب سنگ کانن دیابل ، آریزونا ( Canon Diablo , Arizona) گزارش شده است و نام معدنی موسانیت ( Moissanite ) دارد . که علت این نامگذاری هنری مولیسان ( Henri Moisson ) است . البته صرف نظر از این مطلب این ماده ( SiG) ماده ای مصنوعی است .
تولید تجاری این ماده که در کوره ی الکتریکی انجام می شود معمولاً کلوخه هایی از کریستال های رنگ وارنگ ایجاد می کند . این رنگ وارنگ شدن به علت تشکیل لایه ای نازک از سیلیس ( ) بر روی سطح سیلیسیم کاربید است که با شستشو با اسید فلوریک ( HF ) از بین می رود .
عمده ترین مصرف سیلیسیم کاربید در صنایع نسوز و ساینده ها است دانه هایی از محصولات تجاری سیلیسیم کاربید که به وسیله ی آسیاب کردن ایجاد شدند در رنگهای مشکی و سبز به نظر می آیند . از این ماده در اجزای گرم کننده ی کوره های الکتریکی استفاده می گردد . همچنین در جاهایی که مقاومت در برابر پرتوهای هسته ای نیاز است از این ماده استفاده می شود .
در سال 1891 ، آچسون ( Acheson ) مقدار کمی سیلیسیم کاربید در هنگام آزمایش و به صورت تصادفی تولید کرد که کمک به تولید مواد سخت از کربن و گل کرد .

عکس شماره ی (1) : سیلیسیوم کاربید تک کریستال
او ولتاژ بالایی را از میان مخلوطی از گل و کک به وسیله ی الکترود گرافیتی عبور داد . این مواد در محفظه ای آهنی قرار داشتند ، این محفظه ی آهنی نقش الکترود دیگر را داشت آچسون به ارزش سایندگی این مواد بلورین ایجاد شده پی برد و آنها را آنالیز کرد و به فرمول آن پی برد . او در سپتامبر سال 1891 کمپانی ، کربواندوم ، را بنا نهاد و در 10 می ، 1892 ، مقاله ای در این زمینه منتشر کرد.
مراجعی که بعضی مواقع در مورد کار بر روی ترکیبات کربن و سیلیکون به وجود آمده و مدعی این هستند که زودتر از آچسون کار کرده اند در مرجع 3 آمده است ( مخصوصاً کسانی مانند کالسون و اشتزنبرگ ( Colson and Schutzenberg ) که بر روی ترکیبات اکسیدی کار می کردند ). آنها گزارشاتی در مورد رادیکال های 4 اتمی از سیلیکون ( Si ) در سال 1881 دادند . کالسون در سال 1882 ، گزارشی در مورد روشی برای کاهش سیلیکون ( Si ) داد که نتیجه ی آن ( ) گزارش شد .
10 سال بعد در 16 مِی 1892 ، اشتزنبرگ گزارشی در مورد مطالعه و اصلاح فرمول انجام داد و فرمول را به صورت SiG تصحیح نمود . حتی پیش از کالسن ، مارسدن در سال 1881 ، چیزی را که احتمالاً سیلیسیم کاربید بود تولید کرد . او در حال کار روی « تهیه ی کربن الماس مانند یا دیاموند » بود . اما مارسدن بدون تحقیقات بیشتر این بلورهای ناشناس را کنار گذاشت .
مویسان همچنین فرمول SiG را پیدا کرد . اما نتایج خود را تا زمانی بعد از آن منتشر نکرد . حقیقت امر این است که اگر خوب بخواهید بدانید از اطلاعات کنونی در مورد توسعه ی پروسه ها ، این مورد مورد قبول است که سیلیسیم کاربید توسط برزلیوس ( Berzelius ) [6] تهیه شده است . ( در آزمایشاتی که در سال 1810 انجام شد ) . و دوباره در سال 1824 ، دیسپرت ( Despretz) [7] این کار را انجام داد . او در حال آزمایش بر روی بر طرف کردن ناخالصی ها بود و البته با این ناخالصی ها مشکل داشت . ( در سال 1849 ) .
با وجود این دو تا از برنده های این نشان و اولین مخترعین این ماده به طور آشکار آچسون و کالسون هستند . کارهای کالسون زودتر انجام شده اما گزارش فرمول درست تقریباً همزمان بوده است . اکنون این سخت است که نتیجه بگیریم که کدامیک از این مردها مخترع این ماده هستند .
اما از آن جایی که آچسون پشت کار دقیق تری در مورد تشخیص پتانسیل های این ماده ی تازه از خود نشان داد . موجب تولید صنعتی این ماده شد . این به نظر می رسد که باید او را در مورد این کشف سر آمد بدانیم . در حالی که همه ی اعتباری که به کالسون می دهیم . برای همکاری اصلی در زمینه ی شیمی ر کاربید است .

عکس شماره ی (2) : بلورهای سیلیسیوم کاربید ( SiG )

خواص ( property ) :

خواص سیلیسیم کاربید وابسته به خلوص و روش تهیه ی نمونه های آن است . تعدادی از داده های ارائه شده در دسترس است که در تعداد معدودی اختلاف وجود دارد [10 ـ 8 ] حتی آن نمونه هایی که می توان آن را به صورت تک کریستال رشد داد . دارای داده های متفاوتی هستند که به خلوص و حتی نوع یا بودن سیلیسیم کاربید وابسته است .
هنگامی که در قطعات ، نمونه های بزرگتر را بخواهیم بسازیم مسئله ی دیگری پیش می آید که عبارت اند از : اندازه ی دانه ی مواد خام ، تخلخل ، نوع پیوند بین دانه ها و ...
برای نزدیک شدن هر چه بیشتر به خواص سیلیسیم کاربید به طور خود به خود مقادیری را انتخاب می کنیم که به روزتر باشند و در آزمایشاتشان از مواد با خلوص بالاتری بهره برده باشند . به عنوان مثال خود پیوندی ( Self – bonded ) یا دوباره بلوری شدن سیلیسیم کاربید است .
این اطلاعات هنوز مورد بحث است . به عنوان مثال تولیدات یا روشهای تست کردن که هر روزه بهبود یافته اند . اما از آنجایی که تولیدات مصنوعی سیلیسیم کاربید ، مخصوصاً برای آنهایی که ساینده های قدیمی هستند و در تولیدات نسوز کاربرد دارند . از این نوع جدید ، مواد پر دانسیته تولید نشده است . اطلاعات بر رو یچنین تولیداتی باید از تولید کننده گرفته شود .

عکس شماره ی (3) : کاربرد سیلیسیوم کاربید در صنایع نسوز

خواص فیزیکی ( physical property ) :

سختی ( hordness) احتمالاً بهترین خاصیت شناخته شده ی سیلیسیم کاربید است . آن اغلب دارای وضعیت 5/9 در مقیاس موهس است . اما این بیان از آن جایی آمده که این ماده بین الماس در حالت 10 و کوراندوم ( ) در حالت 9 است . تست های آزمایشاتی امروزه توسعه یافته که عمدتاً شامل مقاومت فشاری، ضربه ، مقاومت سایش و ... است .
روش سختی نوپ به وسیله ی نشانگذار الماسه دار که توسط تیبالت ( فاهذشعمف ( , kd;,mdsj ) Niyquist ) مورد استفاده شده است . معمولاً استفاده می شود [12] .
سختی نوپ 100 g : جدول شماره ی 1

میانگین اطلاعات سختی نوپ زیر بار 100 g با نشانگذار الماس که در آزمایشگاه شرکت کربوراندوم تعیین شده است در جدول 1 آمده است .
این ارقام نشان دهنده ی میانگین چندین اندازه گیری هستند ، تفاوت تستها بر روی سیلیسیم کاربید احتمالاً به علت این حقیقت است که این ماده سختی بیشتری در یک جهت دارد . این ماده ان ایزوتروپ است . محققین ولف ، تومان ، فیلدوکلاوک سختی نوپ در زیر بار 25 گرم را تعیین کردند . به جای اینکه از بار 100 گرم استفاده کنند [13]
کرانز ( Kranz ) عدد سختی ویکرزی به اندازه ی 5100 کیلوگرم بر میلی متر مربع در زیر بار 100 گرم به دست آورد . [14]

چگالی نسبی :

تیلور ولیدلور ( Taylorand Laidler ) با استفاده از پارامترهای شبکه دانسیته ی نسبی سیلیسیم کاربید را محاسبه کردند آنها عدد 208/3 برای فرم و 210/3 برای نوع به دست آورند [15] اما لردی که به صورت متداول استفاده می شود 2/3 است . که برای بیشتر کارها با دقت کافی است . برای کیفیت های بالا ، دانسیته ی نسبی 1/3 برای قطعات پر دانسیته اختصاص می یابد که 96 % دانسیته ای که به روش تئوریک به دست می آید و این تفاوت نیز نتیجه ی تخلخل است .

کشش :

محاسبات اخیر که بر روی سیلیسیم کاربید انجام شده است ( پلیت لیت ( plotelets ) تک کریستال از SiC مورد آزمایش قرار گرفته اند . ماکزیمم استقامت در پوندهای عرضی که توسط « باتا و هاسلمن ( Batha and Hasselman ) اندازه گیری شده است از یک میلیون پوند بر اینچ مربع تجاوز می کند . [16] استقامت در دمای 1750 درجه ی سانتیگراد برای ضخامت یکسان از نمونه ها سه الی چهار برابر استقامت در دمای اتاق است . گزارشات کامل در مورد این پدیده در منبع [17] آمده است .
اثر دما بر استحکام سیلیسیم کاربید در جدول 2 آمده است .
اثر دما بر روی مقاومت SiC : جدول شماره ی 2

مدل یانگ :

هاسلمن ( Hasselman) [18] مدول یانگ 3896 کیلوبار در دمای اتاق را پیشنهاد کرد . که با توافق با واچمن ( wachtman) و ماکسول ( Maxwell ) [19] مدول یانگ برای SiC عدد 3868 کیلوبار پیشنهاد شد .

مدل برشی :

هاسلمن ( Hasselman) عدد 1673 را برای مدول برشی SiC پیشنهاد کرد [18] در مورد سمیت SiC باید گفت که میزان سمیت آن تقریباً 16/0 تا 18/0 است . ـ عدد 150000 پوند بر اینچ مربع برای مقاومت فشاری توسط پیرل ( pearl ) ، نواک ( Nowack ) و دیبان ( Deban ) گزارش شد [10]

خواص نوری :

سیلیسیم کاربید ماده ای با ایندکس نسوزی بالایی است . با قدرت شکست نور خیلی قوی و پخش نور بالا است .

خواص ترمودینامیک ( Thermo dynamic property ) :

گرمای تشکیل سیلیسیم کاربید آلفا ( ) برای واکنش زیر :
توسط درووارت ( Drowort ) و دی ماریا ( De Maria ) [20] به وسیله ی داده های طف سنج جرمی به دست آمده است :
همچنین مقدار آنتالپی توسط دیوید آنتورپ ( David , Anthorp ) و سیرسی ( Searcy با استفاده از سلول کاندسون ( Knadson cell ) به صورت زیر است :

ظرفیت گرمایی و آنتروپی :

آخرین ارقام قابل قبول برای ظرفیت گرمایی و آنتروپی آنهایی است که توسط هامفری ( Hamphrey ) ، توود ( Todd ) و کوگلن ( Coughlin ) و کینگ ( King ) ارائه شده که در جدول 3 آمده است (8)
ظرفیت گرمایی و آنتروپی : جدول 3

دیاگرام فازی سیستم سیلیسیم کاربید و منحنی کربن ـ سیلیکون ( C-Si ) به وسیله ی اسکیس ( Scace ) و اسلاک ( Slack ) تهیه شده است . که آنتالپی حلالیت آن گزارش شده است . [20 ـ 22 ]

واکنش های شیمیایی ( chemical Reactions ) :

سیلیسیم کاربید از لحاظ شیمیایی خنثی است . تنها واکنش که ممکن است اتفاق افتد که موجب تغییر ماهیت آن گردد این است که S:C با یک مخلوط از پتاسیم دی کرومات و قلع کرمات حرارت داده شود . این واکنش در دماهای تقریباً بالا اتفاق می افتد . سیلیکات سدیم به سیلیسیم کاربید ( SiC ) در دمای بالاتر از 1300 درجه سانتیگراد حمله می کند .
این ماده با کلسیم اکسید ، منیزیم اکسید در دمای بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد و با اکسید مس در دمای بالاتر از 800 درجه سانتیگراد واکنش داده و به حالت سیلیسید فلز در می آید . این ماده در برابر مواد قلیایی مانند پتاسیم کرومات یا سدیم کرومات تجزیه می شود و همچنین در بوراکس یا کریولیت ( Cryolite ) مذاب ، با هوا و بخار واکنش می دهد ، اگر چه نوع جدید و چگال این ماده ، مقاومت بهتری در برابر این مواد در مقایسه با مواد تهیه شده در قبل دارند .
این ماده نسبت به کلرین ( Chlorine ) در زیر دمای 700 درجه سانتیگراد مقاومت دارد . بالاتر از این دما واکنشی اتفاق می افتد که کربن و سیلیسیم تتراکلرید می دهد . واکنش های زیر برای این واکنش ها پیشنهاد شده است :

تولید ( Manu facture ) :

سیلیسیم کاربید به صورت تجاری به وسیله ی واکنش در یک کوره ی الکتریکی که با ماسه های سیلیکاتر با کیفیت مناسب و مقدار کمی کربن ( البته با توجه به نسبت اتوکیلومتری ) شارژ شده است تولید می شود .
کربن در حالت کک یا زغال سنگ آنتراسیت باخلوص 95 % است . به مخلوط مقداری خاک اره اضافه می شود . که علت اضافه کردن آن افزایش تخلخل در مواد اولیه و افزایش گردش گازهای واکنش دهنده است . واکنش معمولاً در دو مرحله انجام می گردد ، کربن مونوکسید در طی واکنش ایجاد و در سطح مواد اولیه ( خوراک کوره ) می سوزد .
کوره های مقاومتی تجاری ممکن است 60 فوت طول داشته باشند و نزدیک به 10 فوت پهنا و به عنوان یک ظرف با دیوارهای آجرچین در داخل یک پوسته از فولاد فشرده که می تواند مرحله به مرحله جدا شود ساخته شده است .
درش یوه ی مدرن فراهم کردن مواد خوراک کوره شامل توزین کننده های اتوماتیک و سیستم های مخلوط کننده و حمل کننده به داخل کوره به وسیله ی تسمه نقاله ها یا به وسیله ی هاپرهای ( قیف های ) بزرگ که به وسیله ی جرثقیل حمل می شوند به بالای کوره منتقل شوند . مفاهیم ساخت کوره های تولید کننده ی سیلیسیم کاربید در بین سال 1959 توسط ام سی مالن بازبینی گشت [23]
پیشرفت های دیگر که اخیراً انجام شد جایگزینی زغال سنگ آنتراسیت به جای مقداری از کک یا تمام کک مصرفی [24] .
ورود گازهای کلرین سبب کاهش و زدودن ناخالصی ها ا زمحصولات می گردد . [25] و اضافه کردن مقدارهای کم بورن ، تیتانیم ، و زیکون به خوراک کوره دمای ذوب کوره ا به صورت محسوسی به 900 درجه تا 1100 درجه ی سانتیگراد کاهش می دهد . [26]
مقدار تولیدی سیلیسیم کاربید بر کیلووات ساعت برق مصفی بر اساس کیفیت تولید متفاوت است .
که سرعت تولید تقریباً 35 درجه پوند ر کیلو وات ساعت نوع سیاه با کیفیت بالا و با سرعت 25/0 نیز می رسد و برای نوع سبز 18/0 پوند بر کیلو وات ساعت است .
سیلیسیم کاربید اولین بار در سال 1892 تولیدشد ، اما تولید آن از 1000 تن در سال تجاوز نمی کرد تا سال 1918 با افزایش کاربرد و به صرفه بودن اقتصادی این ماده تولید آن افزایش یافت .
در سال 1929 تولید آن 30000 تن گزارش شده و همیشه تولید آن در حال افزایش است .

عکس شماره ی (4) : کاربرد سیلیسیوم کاربید در صنایع ساینده

کاربردها ( Applications ) :

بیشترین مصرف این ماده در بخش ادوات و ابزار آلات ساینده است . این ماده در اشکال مختلف جهت فرآیند برش استفاده می شود . این ماده را با مواد آلی و غیر آلی مخلوط و برای براده برداری از سطوح مختلف استفاده می کنیم . در بخش نسوز نیز به علت ضریب انبساط کم ، رسانایی رمایی بالا و خنثی بودن شیمیایی و فیزیکی سیلیسیم کاربید را به عنوان یک ماده ی پر ارزش برای استفاده در بخش نسوزها استفاده می کنیم .
همچنین این ماده کاربردهای فراوان دیگری دارد که در بحث این مقاله نمی گنجد و به صورت تیتروار بیان می گردد . امیدواریم که بتوانیم در اینده ی نزدیک در مورد کاربردهای سیلیسیم کاربید ، این ماده ی ارزشمند سخن بگوییم .
1 ـ صنعت ساینده ها ( Abrasives )
2 ـ پوشش های سطحی ( Wear surfaces )
3 ـ نسوزها ( Refractories )
4 ـ الکترونیک و کاربردهای الکتریکی ( Electrical application )
5 ـ متالوژی ( Metallurgical application )
6 ـ و استفاده های دیگر
Silicon carbide treated in ECT 1st ed. Under carbides (silicon ) , Vol.2 , pp.854-866 , by M.
Constance Parche , The Carborunum Company .
1.E.G.Acheson , J.Franklin Inst . 136 , 193 , 203,279-289 ( 1893 )
2.U.S.Pat.492,767 ( Feb.28 , 1893 ) , E.G.Acheson ( to The Carborunndum co).
3. A.Colson , compt.Rend .94,1316-1318(1882)
4.P.Schutzenberg,Compt.Rend 114,1089-1093(1892
5.R.S.Marsden , Proc.Roy. soc.edinburgh 11 , 20 – 27 , 37-40 ( 1881 ) .
6 . J.J.Berzelius,ANN.Physik (Gilberts)New Series 6 , 36 , 89 -102(1810).Ann.Physik Chem.(poggendorf )1,169-230 (1824)
7 . M.Depretz,compt.rend.29,709 – 724(1849)
8.G.L.Humphrey , et al,U.S.Bur.Mines rept.Invest.4888(july 1952)
9.I.B.Fieldhose,J.C.Hedge,J.I.Lang,and .T.E.Waterman,WADC Technical rept. 57-487 (ASTIA Document AD150 , 954 ) , Wright Air Development center , wright – patterson Air Force Base,Ohio , July 1957.
10.H.A.Pearl,J.M.Nowak,and H.J.Hirschhorn , Handbook of Thermophysical Properties of solid materials , Vol.3, rev.ed,The Macmillan co.,NewYork , 1961 , pp.923-936.
12.N.W.Thibault and H.L.Nyquist,trans.Am.Soc.Metals38,271-330(1947).
13.G.A.Wolff,L.Toman,Jr,N.J.Field , and J.C.Clark , in M.Schoen and H.Welker.eds.semiconductors and phosphors:proceedings of the international colloquium1956,inGarmisch-partenkirchen.interscience publishers , a division of john wiley &sons, inc , NEW York , 1958 , pp.463-469.
14.R.Kranz,Hamburger Beilr.Angew.Mineral.Kristallphys.petrogenese2,99-115(1959).chem .Abst.54,22125a(1960)
15.A.Taylor and D.S.Laidler , Brit.J.Appl.Phys.1,174-181(1950)
16.H.D.Batha and D.P.H.Hasselman , Mechanical properties of silicon carbide single crystsls Dept.of the Navy bur.of Naval Weapons , Final. Contract No .Now-61-0676v,may 12,1961 –Aug.12,1962 (Sept,1962).
17.R.A.Alliegro,L.B.Coffinand J.R.Tinklepaugh , J.Am.Ceram.Soc.39,386-389(1956).
18.D.P.H.Hasselman,Tables for the computation of the shear modulus and youngs Modulus of Elasticity from the Resonant frequencies of rectangular prisms,Res.and Dev.Div,The Carbo-rundum co.Niagara Falls,N.Y.1961.
19.J.B.Wachtman ,Jr.and L.H.Maxwell , WADC Technical Rept.57-526(ASTIA Document AD142,245)w right Air Development Center , Dec.1957.
20.J.R.OConnor and J.Smiltens,eds silicon carbide A High Temperature Semiconductor , proc.Conf.on silicon cabide, pergamon press,Inc.New York , 1960.
21.S.G.Davis.D.F.Anthorp, and A.W.Searcy , J.Chem .Phys.34,659-664(1961).
22.R.I.Scace and G.A.Slack , J.Chem.Phys.30,1551-1555(1959).
23.J.C.Mcmullen , J.Electrochem.Soc.104,462-465(1957)
24.A.V.Alferov.Abrasivy 1956(15) , 13-20.chem.Abstr.53,13840a(1959)
25.U.S.Pat.2,913,313(Nov.17,1959)F.Schroll (toelektroschmelzwerk Kempten G.m.b.H)
26.u.s.Pat.2,908 , 553(Oct.13,1959)H.Frank and E.Wilkendorf.
/خ