карборунд что это такое применение в строительстве

Карбид кремния: свойства, описание, применение

Карбид кремния (карборунд, SiC) – синтетический материал, соответствующий по составу и свойствам минералу муассанит. Является неорганическим бинарным соединением кремния с углеродом.

Представляет собой бесцветные кристаллы с бриллиантовым блеском в чистом виде, в форме технического продукта может приобретать различную окраску – зеленую, черную, желтую или серую (из-за примесей железа). Внешне напоминает уголь антрацит, но, в отличие от него, переливается всеми цветами радуги.

Природный минерал муассанит содержится в очень малых количествах в месторождениях кимберлита и корунда, а также в некоторых типах метеоритов. Впервые он был обнаружен в 1893 году А. Муассаном, в честь которого впоследствии был назван. Муассанит широко распространен в космосе в пылевых облаках вокруг звезд, богатых углеродом.

Получение карборундовых кристаллов

Из-за незначительного нахождения в природе материал чаще всего получают синтетическим путем. Впервые он был получен в виде порошка и начал производиться Э.Г. Ачесоном в промышленных масштабах также в 1893 году.

Э.Г. Ачесон запатентовал метод получения порошкообразного SiC и разработал электрическую графитовую печь для его синтезирования. Это был очень простой способ, подразумевающий спекание углерода с кремнеземом при температурах 1600-2500°C. Чистота полученного карборунда зависела от расстояния до графитового резистора в ТЭНе. Материал производила компания The Carborundum Company, и сначала он применялся только в качестве абразива.

Сейчас чистый карбид кремния (silicon carbide/karbid) также может быть синтезирован методом термического разложения полиметилсилана, при низких температурах в атмосфере инертного газа. Такой способ более удобен, так как из полимера перед запеканием в керамику можно сформировать изделие любой формы.

Свойства

Карборунд обладает уникальными характеристиками: он очень твердый и уступает по степени прочности только алмазу. Является инертным материалом – не реагирует с кислотами (кроме плавиковой, азотной и ортофосфорной) и другими веществами.

Может подвергаться нагреванию до 1500°С на открытом воздухе, не плавится при любом давлении, но способен сублимировать при t выше 1700°С. Такая термическая устойчивость обусловила другую сферу применения материала – он начал использоваться для изготовления подшипников и элементов оборудования для высокотемпературных печей.

Карбид кремния отличается также высокой теплопроводностью, плотностью электрического тока и электрическим напряжением, за счет чего вызывает значительный интерес в качестве полупроводника в электронике. Он обладает очень малым коэффициентом теплового расширения и не испытывает фазовых переходов, способных привести к разрушению монокристаллов.

Кроме того, за счет сильных химических связей материал имеет высокую радиационную и химическую стойкость, механическую прочность и твердость, а также термическую стабильность физических свойств. Благодаря уникальным характеристикам карборунд получил широкую сферу использования.

Применение

Карбид кремния используется в качестве абразивного материала для хонингования, шлифования, пескоструйной обработки и водоструйной резки. С его помощью производят детали металлургической и химической аппаратуры, функционирующей при высоких температурах.

Кроме того, материал применяется:

Карборунд относится к 4-му классу опасности по степени воздействия на организм человека. При работе с ним необходимо использовать защитные средства (очки, резиновые перчатки, маску).

Источник

Карборунд – природно-искусственный камень

По официальной классификации этот камень не считается минералом. Его создают искусственно, но из натуральных компонентов. Прочность и красота сделали камень карборунд фаворитом промышленников и ювелиров. После профессиональной обработки он блестит сильнее бриллианта.

Что представляет собой Карборунд

Карборунд – это коммерческое и техническое название синтетического соединения, свойства и состав которого аналогичны натуральному камню муассаниту. То есть по сути это синтетический муассанит.

Это плотный материал разной степени прозрачности, результат сплавления песка с углем.

Внешне выглядит как антрацит, в основном черной гаммы. Есть экземпляры зеленого, голубого, фиолетового, синего цвета.

На свету камень переливается подобно радуге, создавая на поверхности причудливые узоры.

История

Способ получения данного соединения известен еще с середины 19 века, но запатентован только в 1893 году Эдвардом Ачесоном.

До 2016 года все права на производство принадлежали США. Сегодня главный поставщик карборунда фабричного происхождения на мировой рынок – Китай. Всего создано две с половиной сотни кристаллических модификаций разных цветов. Разработана технология для ювелирной промышленности: камни покрывают специальной пленкой, из-за чего даже тестеры не могут отличить кристалл от настоящего бриллианта.

Физико-химические характеристики

По химической классификации карборунд – это карбид кремния с простой формулой.

Тверже него только алмаз. Карборунд плотен, тугоплавок, равнодушен к истиранию, кислотам, прочим агрессивным веществам.

Самосвязанный карбид кремния:

Однако лучи света камень преломляет сильнее алмаза, по этому параметру сопоставим с муассанитом.

Месторождения

Крупных месторождений натурального карборунда нет. Камни попадаются единицами: мелкие, грязновато-коричневатые. Поэтому в промышленных масштабах минерал не добывают. Налажено производство искусственных аналогов.

Абразивный Карбид

Где используется

Прочностные и эстетические кондиции обусловили широкую востребованность синтетического камня:

По особой технологии изготавливается ювелирная разновидность кристаллов.

Как ухаживать

Прочность искусственного материала делает его малоуязвимым. Ухаживать за изделиями можно минимально:

Главное не использовать абразив или ультразвук: пострадает микропленка, которая может быть нанесена на поверхность камня. Особенно это касается продукции китайского происхождения.

Как опознать подделку

Карборунд недорог, но слишком красив, выглядит почти как алмаз. Неудивительно, что его пытаются подделывать. Имитацией выступает стекло.

Отличить происхождение образца легко. Поцарапать карборунд способен только алмаз. Камень массивен, сильно блестит, в руках нагревается не сразу.

Стоимость

В России можно купить ювелирные украшения и коллекционный материал из карборунда. Цена не запредельна (тыс. руб.):

В Италии, возле вулкана Везувий, как карборунд туристам продают его застывшую лаву.

Магические свойства

Установлено, что магические свойства карборунда позитивно отражаются на душевном состоянии человека:

Магия карборунда дарит душевное равновесие, защищает от внешнего негатива, привносит спокойствие в дом.

Однако носить украшения или необработанный камень при себе постоянно не нужно: это чревато стрессом либо бессонницей.

Лечебное воздействие

На физическом плане камень имеет значение как седативное средство: успокаивает, избавляет от фобий, депрессии.

Кроме того, излечивает следующие недуги:

Ношение любого изделия укрепляет иммунитет.

Астрологи установили, что минерал карборунд подходит представителям всех знаков Зодиака.

Источник

Карборунд что это такое применение в строительстве. Карборунд

История

Способ получения данного соединения известен еще с середины 19 века, но запатентован только в 1893 году Эдвардом Ачесоном.

До 2021 года все права на производство принадлежали США. Сегодня главный поставщик карборунда фабричного происхождения на мировой рынок – Китай. Всего создано две с половиной сотни кристаллических модификаций разных цветов. Разработана технология для ювелирной промышленности: камни покрывают специальной пленкой, из-за чего даже тестеры не могут отличить кристалл от настоящего бриллианта.

Видео

Свойства минерала

Производство

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

SiO₂ + 3C → 1600−2500oC SiC + 2CO

Синтетические кристаллы SiC

Чистота карбида кремния, образующегося в печи Ачесона, зависит от расстояния до графитового резистора в ТЭНе.

Кристаллы высокой чистоты бесцветного, бледно-жёлтого и зелёного цвета находятся ближе всего к резистору. На большем расстоянии от резистора цвет изменяется на синий или чёрный из-за примесей. Загрязнителями чаще всего являются азот и алюминий, они влияют на электропроводность полученного материала.

Кристаллы карбида кремния, полученные благодаря процессу Лели

Чистый карбид кремния также может быть получен путём термического разложения полимера полиметилсилана (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 запеканием в керамику.

Физико-химические свойства камня

Химическая формула: SiC

Состояние: кристаллы, друзы или кристаллические порошки от прозрачного белого, жёлтого, зелёного или тёмно-синего до чёрного цветов, в зависимости от чистоты, дисперсности, аллотропных и политипных модификаций.

Температура плавления: 2830°C

Самосвязанный карбид кремния

Силицированный графит СГ-Т

Магические и лечебные свойства карборунда

Этот камень получают в искусственно созданных условиях, однако в составе карборунда содержится натуральное сырье. Поэтому многие эзотерики приписывают ему целебную энергетику, которая может влиять на жизнь и здоровье человека.

Как проявляются магические свойства:

Карборунду приписывают и лечебные свойства. В первую очередь полезен при нервных расстройствах: бессоннице, фобиях, галлюцинациях, панических атаках, приступах агрессии. Помогает обрести душевную гармонию и избавиться от угнетающих мыслей. Эффективно снимает головную боль. Помогает камень и при ослабленном иммунитете. Полезен карборунд при нарушениях обменных процессов в организме. Лечит гастрит и язвенные заболевания органов ЖКТ. Цирроз печени и гепатит также являются показаниями к тому, чтобы носить изделия из карборунда. В астрологии камень не используется.

Структура и свойства

Известно примерно 250 кристаллических форм карбида кремния[21]. 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 определённой последовательности[22].

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[23]. 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. Нагревание бета-формы до температур свыше 1700 °C способно приводить к постепенному переходу кубической бета-формы в гексагональную (2Н, 4Н, 6Н, 8Н) и ромбичеcкую (15R).[24] При повышении температуры и времени процесса все образующиеся формы переходят в конечном итоге в гексагональный альфа-политип 6Н.[25] Свойства основных политипов карбида кремния[26][27]

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

Карбид кремния является весьма инертным химическим веществом: практически не взаимодействует с большинством кислот, кроме концентрированных фтористоводородной (плавиковой), азотной и ортофосфорной кислот. Способен выдерживать нагревание на открытом воздухе до температур порядка 1500 °C. Карбид кремния не плавится при любом известном давлении, но способен сублимировать при температурах свыше 1700 °C. Высокая термическая устойчивость карбида кремния делает его пригодным для создания подшипников и частей оборудования для высокотемпературных печей.

Существует большой интерес в использовании данного вещества в качестве полупроводникового материала в электронике, где высокая теплопроводность, высокое электрическое напряжение пробоя и высокая плотность электрического тока делают его перспективным материалом для высокомощных устройств[28], в том числе при создании сверхмощных светодиодов. Карбид кремния имеет очень низкий коэффициент теплового расширения (4,0⋅10−6K) и в достаточно широком температурном диапазоне эксплуатации он не испытывает фазовых переходов (в том числе фазовых переходов второго рода), из-за которых может произойти разрушение монокристаллов[13].

Электропроводность

Карбид кремния является полупроводником, тип проводимости которого зависит от примесей. Проводимость n

Сверхпроводимость была обнаружена в политипах 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B и 6H-SiC:B при одинаковой температуре — 1,5 К[29].

Физические свойства

Карбид кремния является твердым, тугоплавким веществом. Кристаллическая решётка аналогична решётке алмаза. Является полупроводником.[30]

Химические свойства

Карбид кремния является единственным бинарным соединением, образуемым элементами IV группы Периодической таблицы элементов Д. И. Менделеева. По типу химической связи карбид кремния относится к ковалентным кристаллам. Доля ионной связи, обусловленной некоторым различием в электроотрицательностях атомов Si и C, не превышает 10—12 %. Энергия ковалентной связи между атомами кремния и углерода в кристаллах SiC почти в три раза превышает энергию связи между атомами в кристаллах кремния. Благодаря сильным химическим связям карбид кремния выделяется среди других материалов высокой химической и радиационной стойкостью, температурной стабильностью физических свойств, большой механической прочностью и высокой твердостью. В инертной атмосфере карбид кремния разлагается только при очень высокой температуре:

Сильно перегретый пар разлагает карбид кремния:

Концентрированные кислоты и их смеси растворяют карбид кремния:

3 S i C + 8 H N O 3 ⟶ 3 S i O 2 + 3 C O 2 ↑ + 8 N O ↑ + 4 H 2 O <\displaystyle <\mathsf <3SiC+8HNO_<3>\longrightarrow 3SiO_<2>+3CO_<2>\!\uparrow +8NO\!\uparrow +4H_<2>O>>> 3 S i C + 18 H F + 8 H N O 3 ⟶ 3 H 2 [ S i F 6 ] + 3 C O 2 ↑ + 8 N O ↑ + 10 H 2 O <\displaystyle <\mathsf <3SiC+18HF+8HNO_<3>\longrightarrow 3H_<2>[SiF_<6>]+3CO_<2>\!\uparrow +8NO\!\uparrow +10H_<2>O>>>

В присутствии кислорода щёлочи растворяют карбид кремния:

S i C + 2 N a O H + 2 O 2 → N a 2 S i O 3 + C O 2 ↑ + H 2 O <\displaystyle <\mathsf \rightarrow Na_<2>SiO_<3>+CO_<2>\!\uparrow +H_<2>O>>> S i C + 4 N a O H + 2 O 2 → t > 350 o C N a 2 S i O 3 + N a 2 C O 3 + 2 H 2 O <\displaystyle <\mathsf \ <\xrightarrow350^C>>\ Na_<2>SiO_<3>+Na_<2>CO_<3>+2H_<2>O>>>

При нагревании реагирует с кислородом:

2 S i C + 3 O 2 → 950 − 1700 ∘ C 2 S i O 2 + 2 C O ↑ <\displaystyle <\mathsf <2SiC+3O_<2>\ <\xrightarrow <950-1700^<\circ >C>>\ 2SiO_<2>+2CO\!\uparrow >>> с галогенами: S i C + 2 C l 2 → 600 − 1200 ∘ C S i C l 4 + C <\displaystyle <\mathsf \ <\xrightarrow <600-1200^<\circ >C>>\ SiCl_<4>+C>>> с азотом, образуя нитрид кремния: 6 S i C + 7 N 2 → 1000 − 1400 ∘ C 2 S i 3 N 4 + 3 C 2 N 2 <\displaystyle <\mathsf <6SiC+7N_<2>\ <\xrightarrow <1000-1400^<\circ >C>>\ 2Si_<3>N_<4>+3C_<2>N_<2>>>> с активными металлами: 2 S i C + 5 M g → 700 ∘ C 2 M g 2 S i + M g C 2 <\displaystyle <\mathsf <2SiC+5Mg\ <\xrightarrow <700^<\circ >C>>\ 2Mg_<2>Si+MgC_<2>>>> и их пероксидами: S i C + 4 N a 2 O 2 → 700 − 800 ∘ C N a 2 S i O 3 + N a 2 C O 3 + 2 N a 2 O <\displaystyle <\mathsf O_<2>\ <\xrightarrow <700-800^<\circ >C>>\ Na_<2>SiO_<3>+Na_<2>CO_<3>+2Na_<2>O>>>

Физико-химические характеристики

По химической классификации карборунд – это карбид кремния с простой формулой.

Тверже него только алмаз. Карборунд плотен, тугоплавок, равнодушен к истиранию, кислотам, прочим агрессивным веществам.

Самосвязанный карбид кремния:

Однако лучи света камень преломляет сильнее алмаза, по этому параметру сопоставим с муассанитом.

Интересное о камне

Распространено несколько интересных фактов о камне:

Описание камня и его сходство с остальными кристаллами

Карборунд представляет собой карбид кремния, полученный в синтетических условиях. Он получается при сплавлении песка и угля. По внешнему виду похож на антрацит, но под воздействием лучей света способен переливаться всеми цветами радуги. Камень имеет высокую твердость и способность царапать все минералы, за исключением алмаза. Карборунд — тугоплавкий материал со значительной плотностью. Устойчивый к воздействию кислот и других факторов внешней среды. Но несмотря на это он обладает исключительной красотой и способностью прекрасно преломлять лучи света. По характеристикам этот кристалл напоминает камень муссанит, но в отличие от него добыт искусственно. У карборунда существует 250 кристаллических форм, которые отличаются по передаваемой цветовой гамме. Камень имеет высокую стойкость к истиранию.

Применение карборунда

Это химическое соединение является ценным сырьем для промышленности. Обладает выраженными абразивными свойствами, устойчивостью к воздействию экстремальных температур, агрессивных кислот. За счет высокого показателя твердости используется в изготовлении деталей, которые проявляют устойчивость к воздействию разрушительных факторов.

Конструкционный материал

Карбид кремния задействован в промышленном производстве. Из него изготавливают следующие детали и элементы:

Обязательно посмотрите: Рукотворная драгоценность – искусственный бриллиант

Электроника

Карбид кремния встречается в составе сверхбыстрых диодов Шоттки, тиристорах. Химический состав обладает неоспоримыми преимуществами, если сравнивать его с кремнием и арсенидом галлия. Во-первых, карборунд характеризуется большей шириной запрещенной зоны. Электрическая прочность камня в 10 раз превышает аналогичный показатель кремния. Не теряет исходные физико-химические свойства при воздействии высоких температур. Теплопроводность в 3 раза превышает аналогичный показатель, характерный для кремния.

Для вас допустимо ношение украшений с черным камнем?Да Нет

Сталеварение

Карбид кремния применяется как топлива, используемое в получении стали в конвертерном производстве. В сравнении с углем считается чистым химическим соединением, поэтому позволяет уменьшить количество отходов. Также применяется в коррекции температурного режима и показателей содержания углерода в стали.

Ядерная энергетика

За счет высокой устойчивости к воздействию радиации массово применяется в ядерной энергетике. Из камня изготавливают слой из триструктурально-изотопного покрытия для элементов ядерного топлива, находящегося в газоохлаждаемых реакторах. Также это ценное сырье для производства пеналов для безопасного захоронения ядерных отходов.

Карборунд также входит в состав шлифовальных паст. При смешивании технического карборунда с кремнием и глицерином получают силит. Это высококачественный материал для нагревательных элементов лабораторных электропечей. Из такой смеси также изготавливают стержни, которые затем обжигают при температуре 1700 градусов вместе с двуокисью углерода. Силитовый стержень выдерживает температуру до 1500 градусов.

Пирометрия

Это измерение температуры газа оптическим методом. Он реализуется с помощью волокон из карбида кремния. Их толщина составляет 15 микрометров. Эти волокна вводятся в зону изменения, при этом никак не воздействуя на процесс горения. Использование этого способа позволяет измерить температуру, находящуюся в диапазоне 800-2500 Кельвинов.

В ювелирном деле

Карборунд обладает неповторимым сиянием, которое сполна раскрывает цветовую гамму камня. В ювелирной промышленности получил название муассанит. Для инкрустации украшений используется бесцветный карборунд. Благодаря особым внешним характеристикам напоминает алмаз. Структура камня более сложная, чем та, которую имеет кубический диоксид циркония.

Интересно! В ювелирных изделиях является более доступным с точки зрения цены заменителем бриллианта. Муассанитом инкрустируют кольца, кулоны, серьги, браслеты, броши и другие украшения. Камень обладает отменной устойчивостью к воздействию прямых лучей солнца, бытовой химии и других неблагоприятных факторов.

Часто муассанитом заменяют бриллианты, причем продают покупателю изделия с учетом стоимости последнего. Отличить синтетический камень от драгоценного самоцвета сможет только эксперт-геммолог, применяющий специальное оборудование и реактивы.

Как полупроводник

Обладает свойствами надежного проводника, который является качественным катализатором. Считается ценным сырьем для изготовления лазеров, мощных светодиодов. Входит в состав терморезистора и полевого транзистора.

Современность

В конце XX был изготовлен первый кристалл карборунда, до этого он был известен только в виде порошка. Как только появилась возможность синтезировать кристалл — его синтезировали. Результат оказался поразительным. По многим показателям карборунд превосходил алмаз.

То есть он лучше блестит и даёт больше радужных бликов. Казалось бы — вот она, удача. Его действительно признали лучшей имитацией алмаза. Но в массовым он так и не стал. Делать ювелирные изделия с карборудном с точки зрения коммерции бессмысленно.

Производство украшений из камня слишком сложное и затратное дело. Крупный образец будет стоить порядка 500 долларов за карат. Сомнительно, что найдутся любители покупать искусственные камни за такие деньги. Даже если они высокотехнологичные и сверхблестящие. Сейчас кристаллы карбида кремния делает только одна американская компания, а в продаже он встречается реже, чем бриллиант.

Теоретически камень должен быть красивым: блестящий, сияющий, с радужной игрой света на гранях.

Но ценители камня его не очень ценят. На то есть несколько причин:

Как видим, искусственному муассаниту не удалось превзойти алмаз и вытеснить его с ювелирных прилавков.

Непрозрачные недорогие образцы предприимчивые итальянцы продают как куски лавы Везувия.

Однако у карборунда есть ряд преимуществ:

Кроме этого он прочный, лишь незначительно уступает алмазу. К тому же он инертный — не вступает в реакцию с другими веществами (кроме плавиковой, азотной и ортофосфорной кислот), отличается высокой теплопроводностью, плотностью электрического тока и электрическим напряжением, имеет малый коэффициент теплового расширения и не имеет фазовых переходов, разрушающих кристалл.

Сейчас карборунд производят методом термического разложения полиметилсилана при низких температурах в присутствии инертного газа. Полученный материал применяется во многих сферах жизни.

Применяется в качестве:

Это далеко не всё. Камень используется в ядерной энергетике, строительстве, органическом синтезе.

История

Ранние эксперименты

Несистематические, малоизвестные и часто непроверенные синтезы карбида кремния включают:

Масштабное производство

Репликация экспериментов HJ Round со светодиодами

Широкомасштабное производство приписывают Эдварду Гудричу Ачесону в 1890 году. Ачесон пытался приготовить искусственные алмазы, когда нагрел смесь глины (силикат алюминия) и порошкообразного кокса (углерода) в железной чаше. Он назвал синие кристаллы, из которых образовался карборунд

Ачесон запатентовал метод производства порошка карбида кремния 28 февраля 1893 года. Ачесон также разработал электрическую печь периодического действия, с помощью которой SiC производится до сих пор, и сформировал Carborundum Company для производства объемного SiC, первоначально для использования в качестве абразива. В 1900 году компания заключила сделку с Electric Smelting and Aluminium Company, когда решением судьи ее основатели «в целом» отдавали приоритет «восстановлению руд и других веществ методом накаливания». Говорят, что Ачесон пытался растворить углерод в расплавленном корунде ( оксид алюминия ) и обнаружил присутствие твердых сине-черных кристаллов, которые он считал соединением углерода и корунда: отсюда и карборунд. Возможно, он назвал материал «карборунд» по аналогии с корундом, еще одним очень твердым веществом (9 по шкале Мооса ).

Первое использование SiC было в качестве абразива. Затем последовали электронные заявки. В начале 20 века карбид кремния использовался в качестве детектора в первых радиоприемниках. В 1907 году Генри Джозеф Раунд создал первый светодиод, подав напряжение на кристалл SiC и наблюдая желтое, зеленое и оранжевое излучение на катоде. Позже эти опыты были повторены О.В. Лосевым в Советском Союзе в 1923 году.

Источник