Карборунд

Карборунд — это торговое название карбида кремния (SiC), неорганического соединения кремния и углерода, представляющего собой твёрдый, химически стойкий кристаллический материал. В природе встречается крайне редко в виде минерала муассанита, однако в промышленных масштабах производится синтетически. Карборунд известен своей исключительной твёрдостью (9,5 по шкале Мооса, уступая лишь алмазу и нитриду бора), высокой теплопроводностью и полупроводниковыми свойствами, что обуславливает его широкое применение в абразивной, электронной и металлургической промышленности.

История

Первое получение карбида кремния приписывается американскому химику Эдварду Гудричу Ачесону, который в 1891 году, пытаясь синтезировать искусственный алмаз, нагрел смесь глины и кокса в электрической печи. Полученный им твёрдый кристаллический материал он назвал «карборундом», ошибочно полагая, что это соединение углерода и корунда (Al₂O₃). Ачесон запатентовал способ производства в 1893 году и основал компанию The Carborundum Company, которая наладила промышленный выпуск этого абразива.

В 1893 году французский химик Анри Муассан независимо обнаружил природный аналог карбида кремния в метеорите, упавшем в Аризоне. Минерал был назван муассанитом в его честь. В XX веке технология производства карбида кремния совершенствовалась, что позволило получать монокристаллы высокой чистоты, необходимые для полупроводниковой электроники. С 1970-х годов началось активное изучение карбида кремния как перспективного материала для силовой электроники, а с 2000-х годов — для светодиодов и высокочастотных устройств.

Классификация и виды

Карборунд классифицируют по нескольким признакам: цвету, чистоте, кристаллической структуре и способу производства.

По цвету и чистоте

• Чёрный карборунд — наиболее распространённый технический сорт, содержащий до 2—3 % примесей (в основном углерод и железо). Используется как абразив для шлифовки металлов, камня и стекла.
• Зелёный карборунд — более чистый, с меньшим содержанием примесей (менее 1 %). Отличается повышенной твёрдостью и хрупкостью, применяется для обработки твёрдых сплавов, керамики и в инструментальной промышленности.
• Бесцветный (прозрачный) карборунд — монокристаллы высокой чистоты, используемые в электронике и ювелирном деле (синтетический муассанит).

По кристаллической структуре

Карбид кремния существует в виде более 250 полиморфных модификаций (политипов), различающихся порядком чередования слоёв атомов кремния и углерода. Наиболее распространённые:

• 3C-SiC (β-SiC) — кубическая модификация, стабильная при температурах ниже 1600 °C. Используется в абразивах и как подложка для эпитаксии.
• 4H-SiC — гексагональная модификация, широко применяемая в силовой электронике благодаря высокой подвижности электронов и пробивному напряжению.
• 6H-SiC — гексагональная модификация, исторически первая, используемая в светодиодах и высокотемпературных датчиках.

По способу производства

• Порошковый карборунд — получают методом Ачесона (синтез в печи сопротивления). Используется для изготовления абразивных кругов, шлифовальных шкурок, а также как добавка в огнеупоры.
• Монокристаллический карборунд — выращивают методами физического (PVT) или химического (CVD) осаждения из паровой фазы. Применяется в полупроводниковой промышленности.
• Волокнистый карборунд — получают в виде нитевидных кристаллов (усов) или тканей, используется в композитных материалах.

Физические и химические свойства

Карборунд обладает уникальным сочетанием свойств, делающих его незаменимым в ряде отраслей.

Физические свойства

• Твёрдость: 9,5 по шкале Мооса (у алмаза — 10). Карборунд является одним из самых твёрдых известных материалов.
• Плотность: 3,21 г/см³ (для 3C-SiC).
• Температура плавления: около 2730 °C (при атмосферном давлении разлагается, не плавясь). При давлении выше 10 атм плавится при 2830 °C.
• Теплопроводность: 120—490 Вт/(м·К) в зависимости от политипа и чистоты (для сравнения, у меди — 401 Вт/(м·К)). Высокая теплопроводность позволяет использовать карборунд в теплоотводах.
• Полупроводниковые свойства: ширина запрещённой зоны составляет 2,3—3,3 эВ (в зависимости от политипа), что значительно выше, чем у кремния (1,12 эВ). Это позволяет создавать приборы, работающие при высоких температурах, напряжениях и частотах.
• Оптические свойства: карборунд прозрачен в инфракрасном и частично в видимом диапазоне. Монокристаллы могут иметь окраску от жёлтой до зелёной и синей.

Химические свойства

• Химическая стойкость: карборунд устойчив к воздействию большинства кислот, щелочей и солей при комнатной температуре. Разрушается только в расплавах щелочей и в смеси плавиковой и азотной кислот.
• Окисление: при нагреве на воздухе выше 1000 °C начинает медленно окисляться с образованием диоксида кремния (SiO₂), который защищает поверхность от дальнейшего окисления.
• Реакции с металлами: при высоких температурах карборунд реагирует с расплавленными железом, никелем и кобальтом, образуя силициды и карбиды. Это свойство ограничивает его использование в сталеплавильных печах.

Применение

Карборунд находит применение в нескольких ключевых областях, от абразивной обработки до высокотехнологичной электроники.

Абразивные материалы

Это исторически первое и наиболее массовое применение. Карборунд используется для изготовления:

• Шлифовальных кругов — для обработки металлов, камня, стекла, керамики.
• Шлифовальных шкурок — для ручной и машинной обработки поверхностей.
• Абразивных порошков — для гидроабразивной резки, пескоструйной обработки, полировки.
• Инструментов для правки абразивных кругов — благодаря высокой твёрдости.

Полупроводниковая электроника

Карбид кремния является одним из основных материалов для силовой электроники, особенно в устройствах, работающих при высоких температурах, напряжениях и частотах. Применяется для:

• Силовых диодов и транзисторов (MOSFET, JFET, IGBT) — в преобразователях, инверторах, блоках питания электромобилей и солнечных электростанций.
• Высоковольтных выпрямителей — для линий электропередач и промышленных установок.
• Высокочастотных устройств — для радиолокации, связи и спутниковых систем.
• Светодиодов — исторически карбид кремния использовался в первых синих светодиодах, однако впоследствии был вытеснен нитридом галлия (GaN). Тем не менее, подложки из SiC до сих пор применяются для эпитаксии GaN.

Огнеупорные материалы

Благодаря высокой термостойкости и химической инертности, карборунд используется в качестве компонента огнеупорных кирпичей, тиглей, муфелей и футеровок печей, работающих при температурах до 1600—1700 °C. Карборундовые огнеупоры применяются в металлургии, стекольной и керамической промышленности.

Композитные материалы

Волокна и частицы карбида кремния используются для армирования металлических, керамических и полимерных композитов. Такие материалы обладают повышенной прочностью, жёсткостью и износостойкостью. Применяются в авиастроении, космической технике, производстве тормозных колодок и бронежилетов.

Ювелирное дело

Синтетический муассанит (бесцветный или окрашенный карборунд) используется как имитация алмаза. Он обладает близкой к алмазу твёрдостью, но более высокой дисперсией (игрой света), что делает его популярным в недорогих ювелирных изделиях.

Интересные факты

• Название «карборунд» возникло из-за ошибочного предположения Ачесона, что он получил соединение углерода и корунда. В действительности это карбид кремния.
• Природный муассанит встречается в метеоритах, а также в кимберлитовых трубках, но в количествах, недостаточных для промышленной добычи.
• Карбид кремния является одним из немногих материалов, способных выдерживать прямое воздействие ядерного излучения без значительной деградации, что делает его перспективным для ядерной энергетики.
• В 2018 году компания STMicroelectronics выпустила первый коммерческий силовой транзистор на основе карбида кремния, что ознаменовало начало массового внедрения SiC-электроники в электромобили.

Источники

• Ачесон, Э. Г. (1893). «Производство карбида кремния». Патент США № 492767.
• Муассан, А. (1893). «О минерале из метеорита». Comptes Rendus, 117, 425-428.
• Harris, G. L. (1995). «Properties of Silicon Carbide». INSPEC, IEE.
• Madar, R. (2004). «Silicon Carbide: From Abrasives to High-Temperature Electronics». Materials Science and Engineering, B, 111(2-3), 129-133.
• ГОСТ 26327-84 «Карбид кремния. Технические условия».