Чи був у вас такий досвід: ваш кухонний ніж затуплюється після тривалого використання, і коли ви несете його в будівельний магазин, щоб заточити його, механік використовує швидко обертовий чорний шліфувальний круг, щоб потерти його туди-сюди; або на фабриках, у печах, які використовуються для випалу кераміки та плавлення металів, навіть незважаючи на те, що вони постійно піддаються впливу температур вище 1000 градусів, їхні внутрішні стінки рідко прогорають. Насправді за обома цими речами стоїть той самий «промисловий-універсал»-чорний карбід кремнію.
01 Давайте розберемося: що таке чорний карбід кремнію?
Як випливає з назви, основними компонентами чорного карбіду кремнію є «вуглець» і «кремній» з хімічною формулою SiC. По суті, це синтетично вироблений неорганічний неметалічний матеріал. Це не природний мінерал, а скоріше «очищений» із звичайних повсякденних матеріалів: кварцовий пісок і нафтовий кокс змішують у певному співвідношенні, додають невелику кількість солі, а потім «обпалюють» у печі опору при 1800-2200 градусах протягом кількох днів. При такій високій температурі кремній у кварцовому піску та вуглець у нафтовому коксі реагують, зрештою утворюючи чорні кристалічні частинки — це чорний карбід кремнію.
Чому він чорний? Оскільки його чистота не дуже висока (зазвичай від 95% до 98%), а невелика кількість залишкових домішок надає йому темно-сірого або чорного вигляду. Якщо рівень чистоти перевищує 99%, він стає іншим поширеним матеріалом-зеленим карбідом кремнію (із зеленуватим відтінком).
02. «Суперздатність» чорного карбіду кремнію: чому він став улюбленцем промисловості?
Чорний карбід кремнію блищить у багатьох сферах завдяки своїм трьом основним перевагам, кожна з яких усуває ключову проблему промислового виробництва:
1. Надзвичайно твердий, що робить його неймовірно ефективним при шліфуванні.
Серед не-металевих матеріалів у природі чорний SIC лише трохи твердіший за алмаз і кубічний нітрид бору та навіть твердіший за корунд (оксид алюмінію)-його твердість за Моосом досягає 9,2 (алмаз — 10). Така твердість робить його «природним абразивом»: багато шліфувальних кругів, які використовуються вдома для заточування ножів і ножиць, виготовлені з частинок чорного карбіду кремнію, змішаних зі смолою; наждачний папір і шліфувальні диски, виготовлені з чорного SIC, також широко використовуються на заводах для обробки металевих деталей (таких як нержавіюча сталь і чавун), шліфування скла та полірувального каменю-вона може швидко видалити задирки та недоліки з поверхні заготовок і нелегко зношується.
2. Стійкість до високих температур і стійкість до корозії, діючи як "вогнетривкий охоронець"
Чорний карбід кремнію має температуру плавлення до 2700 градусів, і він не деформується чи не плавиться навіть після тривалого -користування при високій температурі 1600 градусів. Крім того, він не боїться ні кислот, ні лугів, і навіть сильні кислоти і луги його важко роз'їдають. Ці властивості роблять його «захисним покриттям» для печей і котлів: внутрішні стінки агломераційних печей на керамічних фабриках і печей гарячого дуття на металургійних заводах облицьовані шаром вогнетривкої цегли з чорного SIC, який може витримувати високі температури і зменшувати втрати тепла; деякі високотемпературні промислові труби та клапани також покриті ним, щоб запобігти корозії високотемпературними газами або рідинами.
3. Він може проводити електрику та тепло, а також може виступати в якості «актора другого плану» в електроніці.
На відміну від багатьох не{0}}металевих матеріалів (таких як скло та кераміка), чорний карбід кремнію є електропровідним і має навіть вищу теплопровідність, ніж чавун-, що дає йому місце в галузі електроніки: в акумуляторних блоках транспортних засобів на новій енергії він використовується для виготовлення «теплопровідних прокладок», щоб швидко відводити тепло, що утворюється під час роботи акумулятора, запобігаючи перегріванню акумулятора; у деяких -електроприладах високої потужності (таких як перетворювачі частоти та зварювальні апарати) для забезпечення стабільної роботи обладнання також використовуються компоненти розсіювання тепла, виготовлені з чорного SIC.
03 Окрім шліфування та стійкості до високих температур, на що ще здатний чорний карбід кремнію?
Застосування чорного карбіду кремнію набагато ширше, ніж ви можете собі уявити; його можна знайти в усьому, від традиційних галузей до сфер, що розвиваються.
У будівельній промисловості додавання чорних частинок SIC до бетону може покращити зносостійкість доріг і мостів більш ніж на 30%, а також зробити їх-стійкими до морозу. Цей тип «карбідокремнієвого бетону» використовується на автомагістралях у багатьох холодних регіонах північного Китаю.
У сфері навколишнього середовища «стільникові керамічні носії» з чорного карбіду кремнію можна встановлювати в автомобільні очищувачі вихлопних газів, щоб допомогти адсорбувати шкідливі гази (такі як окис вуглецю та оксиди азоту) у вихлопних газах.
У фотоелектричній галузі надзвичайно тонкий чорний порошок SIC необхідний як «абразив» під час обробки кремнієвих пластин для сонячних фотоелектричних панелей, щоб зробити пластини тонкими та плоскими, забезпечуючи ефективність виробництва електроенергії.
04 Чи може чорний карбід кремнію стати ще більш «потужним» у майбутньому?
Завдяки технологічному прогресу black SIC робить прорив у галузях «високої-точності»: наприклад, науковці досліджують використання чорного карбіду кремнію для створення «напівпровідникових чіпів», які є термостійкі-і проводять електрику швидше, ніж традиційні кремнієві чіпи, і можуть використовуватися в -обладнанні високого класу, як-от нові енерготранспортні засоби та базові станції 5G у майбутнє; інші намагаються перетворити чорний SIC на «матеріали для накопичення енергії», щоб допомогти зберігати електричну енергію, перетворену з сонячної та вітрової енергії, вирішуючи проблему «складності зберігання» нової енергії.
