Karbid křemíku
Obsah boxu
Šablona:Infobox chemická sloučenina
Karbid křemíku (chemický vzorec SiC), známý také pod obchodním názvem karborundum nebo jako minerál moissanit, je synteticky vyráběná keramická sloučenina křemíku a uhlíku. V přírodě se vyskytuje jen velmi vzácně. Vyznačuje se mimořádnou tvrdostí, vysokou tepelnou vodivostí, nízkou tepelnou roztažností a chemickou odolností. Díky svým unikátním vlastnostem, zejména jako polovodič se širokým zakázaným pásem, nachází široké uplatnění v mnoha průmyslových odvětvích, od brusných materiálů po vyspělou elektroniku.
📜 Historie
Ačkoliv první syntézu mohl provést již Jöns Jacob Berzelius v roce 1824, za objevitele průmyslově využitelného procesu je považován americký vynálezce Edward Goodrich Acheson. V roce 1891 se Acheson pokoušel syntetizovat umělé diamanty zahříváním směsi jílu (zdroj křemičitanu hlinitého) a práškového koksu v železné misce. Získal lesklé, šestiúhelníkové krystaly, o kterých se mylně domníval, že se jedná o sloučeninu uhlíku a korundu (oxidu hlinitého), a proto je nazval "karborundum". Později zjistil, že se jedná o sloučeninu křemíku a uhlíku. Patentoval metodu výroby a založil společnost The Carborundum Company.
Přírodní karbid křemíku byl poprvé objeven v roce 1893 francouzským chemikem a nositelem Nobelovy ceny Henri Moissanem. Nalezl jej v úlomcích meteoritu Canyon Diablo v Arizoně a na jeho počest byl tento minerál pojmenován moissanit. Objev moissanitu v meteoritu předcházel Achesonově syntéze, ale jeho identifikace proběhla až později.
🔬 Fyzikální a chemické vlastnosti
Karbid křemíku je materiál s výjimečnými vlastnostmi, které ho předurčují pro náročné aplikace.
💎 Fyzikální vlastnosti
- Tvrdost: S hodnotou 9–9,5 na Mohsově stupnici je jedním z nejtvrdších známých materiálů. Tvrdší je pouze diamant (10) a několik dalších syntetických látek, jako je nitrid boritý.
- Tepelné vlastnosti: Má vysokou tepelnou vodivost (srovnatelnou s některými kovy) a zároveň velmi nízkou tepelnou roztažnost. Díky tomu skvěle odolává tepelným šokům. Netaví se za atmosférického tlaku, ale sublimuje při teplotách okolo 2700 °C.
- Elektrické vlastnosti: Čistý karbid křemíku je elektrický izolant, ale příměsí (dopováním) se stává polovodičem. Patří mezi tzv. polovodiče se širokým zakázaným pásem (wide-bandgap semiconductor), což mu umožňuje pracovat při mnohem vyšších napětích, frekvencích a teplotách než běžný křemík.
- Optické vlastnosti: Čistý SiC je bezbarvý. Nečistoty mu dodávají různé barvy – dusík způsobuje zelené až žluté zbarvení, hliník modré. Má vysoký index lomu (2,65), vyšší než diamant (2,42), což způsobuje jeho výrazný lesk a "oheň" (disperzi světla), čehož se využívá ve šperkařství.
- Krystalová struktura: Existuje ve více než 250 krystalových modifikacích, tzv. polytypech. Základní jsou kubický β-SiC (beta) a hexagonální nebo romboedrické α-SiC (alfa).
🧪 Chemické vlastnosti
Karbid křemíku je extrémně chemicky inertní. Odolává působení silných kyselin i zásad za běžných teplot. Při vysokých teplotách (nad 800 °C) reaguje s kyslíkem ve vzduchu a na jeho povrchu se tvoří pasivační vrstva oxidu křemičitého (SiO₂), která ho chrání před další oxidací.
⚙️ Výroba
Drtivá většina karbidu křemíku se vyrábí synteticky, protože jeho přírodní výskyt je zanedbatelný.
Achesonův proces
Nejběžnější metodou je tzv. Achesonův proces, který je v principu stejný jako ten, který objevil jeho vynálezce. Směs vysoce čistého křemičitého písku (SiO₂) a jemně mletého uhlíku (obvykle ve formě petrolejového koksu) se zahřívá ve velké elektrické odporové peci na teploty mezi 1600 a 2500 °C. Základní chemická reakce je:
- SiO₂ + 3 C → SiC + 2 CO
Uprostřed pece vzniká jádro z nejčistších krystalů SiC, zatímco vnější vrstvy jsou méně kvalitní. Po vychladnutí se obsah pece třídí podle kvality.
Lelyho metoda
Pro výrobu monokrystalů SiC vysoké čistoty, které jsou potřeba pro elektroniku, se používají pokročilejší metody, jako je Lelyho metoda (sublimace a rekrystalizace) nebo její modifikace. Tyto procesy jsou výrazně dražší, ale umožňují výrobu velkých monokrystalických waferů.
💡 Využití
Díky kombinaci svých vlastností má karbid křemíku velmi široké spektrum použití.
🔧 Abraziva a řezné nástroje
Díky své extrémní tvrdosti je SiC vynikajícím abrazivem. Používá se na výrobu:
- Brusných kotoučů a segmentů
- Brusných papírů a pláten
- Honovacích a lapovacích prášků
- Řezných nástrojů pro obrábění tvrdých materiálů
🚗 Strukturální a kompozitní materiály
Jeho pevnost a odolnost vůči vysokým teplotám ho činí ideálním materiálem pro:
- Automobilový průmysl: Vysoce výkonné keramické brzdové kotouče (tzv. karbon-keramické brzdy), které jsou lehčí a odolnější vůči vadnutí než ocelové. Dále se používá pro filtr pevných částic.
- Neprůstřelná ochrana: Keramické pláty v neprůstřelných vestách a pancéřování vozidel.
- Vysokoteplotní aplikace: Součásti pecí, trysky hořáků, tepelné výměníky a nosiče katalyzátorů.
⚡ Elektronika a polovodiče
Toto je nejrychleji rostoucí oblast využití SiC. Jeho vlastnosti umožňují výrobu součástek, které jsou menší, rychlejší a účinnější než ty na bázi křemíku.
- Výkonová elektronika: Diody, tranzistory (MOSFET, JFET) a tyristory z SiC se používají v měničích pro elektromobily, nabíjecích stanicích, solárních a větrných elektrárnách a v napájecích zdrojích. Ztráty energie jsou v nich výrazně nižší.
- Vysokofrekvenční technika: Součástky pro radary a telekomunikační systémy.
- LED diody: Historicky byl SiC jedním z prvních materiálů, ze kterého byly vyrobeny LED diody (modré světlo). Dnes se používá hlavně jako podkladový materiál (substrát) pro růst krystalů nitridu gallitého (GaN).
💍 Šperkařství
Syntetický moissanit se díky svému lesku, tvrdosti a vysoké disperzi světla ("ohni") používá jako oblíbená a cenově dostupnější náhrada diamantu. Jeho disperze je dokonce vyšší než u diamantu, což způsobuje výraznější duhové odlesky.
🔭 Ostatní aplikace
- Astronomie: Díky nízké tepelné roztažnosti a vysoké tuhosti se používá pro výrobu zrcadel velkých teleskopů.
- Jaderná energetika: SiC je součástí kompozitního materiálu TRISO, který tvoří obal palivových částic pro vysokoteplotní jaderné reaktory. Je odolný vůči vysokým teplotám a radiaci.
🌍 Přírodní výskyt
Přírodní karbid křemíku, minerál moissanit, je extrémně vzácný. Nachází se v mikroskopických velikostech v některých typech meteoritů (např. železný meteorit Canyon Diablo), v kimberlitech a dalších ultrabazických horninách. Prakticky veškerý karbid křemíku používaný v průmyslu i šperkařství je syntetického původu.
🤔 Pro laiky
- Co je to karbid křemíku? Představte si ho jako uměle vytvořený "kámen" spojením dvou velmi běžných prvků – křemíku (z písku) a uhlíku (ze sazí nebo koksu). Výsledkem je materiál, který je téměř tak tvrdý jako diamant.
- K čemu je dobrá jeho tvrdost? Díky ní se používá na broušení a řezání téměř všeho. Brusné kotouče v dílně nebo povrch brusného papíru jsou často vyrobeny právě z karbidu křemíku.
- Proč se používá v elektronice? Běžný křemík, ze kterého jsou dnešní čipy, má své limity, hlavně co se týče tepla a napětí. Karbid křemíku je mnohem odolnější. Součástky z něj mohou být menší, a přesto zvládnou více energie a tepla. To je klíčové například pro elektromobily, kde je potřeba efektivně měnit proud z baterie na pohon kol s co nejmenšími ztrátami.
- Je to diamant? Není, ale ve špercích ho může připomínat. Je skoro stejně tvrdý, ale na světle hází ještě výraznější duhové odlesky. Na rozdíl od diamantu je ale uměle vyrobený a výrazně levnější.