Ar jūs kada nors patyrėte tokią patirtį: jūsų virtuvinis peilis po ilgo naudojimo nublanksta, o kai nunešate jį į techninės įrangos parduotuvę pagaląsti, mechanikas greitai besisukančiu juodu šlifavimo disku trina jį pirmyn ir atgal; arba gamyklose keramikai kūrenamose ir metalams lydyti naudojamose krosnyse, nors jos nuolat veikiamos aukštesnėje nei 1000 laipsnių temperatūroje, vidinės sienos retai perdega. Tiesą sakant, už abiejų šių dalykų slypi tas pats „pramoninis universalumas“-juodas silicio karbidas.
01 Supraskime: kas tiksliai yra juodasis silicio karbidas?
Kaip rodo jo pavadinimas, juodojo silicio karbido pagrindiniai komponentai yra „anglis“ ir „silicis“, kurių cheminė formulė SiC. Iš esmės tai yra sintetiniu būdu pagaminta neorganinė nemetalinė medžiaga. Tai ne natūralus mineralas, o „išgrynintas“ iš įprastų kasdienių medžiagų: tam tikru santykiu sumaišomas kvarcinis smėlis ir naftos koksas, pridedamas nedidelis kiekis druskos, o po to kelias dienas „kūrenamas“ atsparumo krosnyje 1800-2200 laipsnių temperatūroje. Esant tokiai aukštai temperatūrai, kvarciniame smėlyje esantis silicis ir naftos kokse esanti anglis reaguoja ir galiausiai susidaro juodos kristalinės dalelės – tai juodasis silicio karbidas.
Kodėl jis juodas? Kadangi jo grynumas nėra ypač didelis (dažniausiai nuo 95% iki 98%), o nedidelis likutinių priemaišų kiekis suteikia tamsiai pilką arba juodą išvaizdą. Jei grynumas padidinamas iki daugiau nei 99 %, jis tampa dar viena įprasta medžiaga -žaliu silicio karbidu (su žalsvu atspalviu).
02. Juodojo silicio karbido „supergalios“: kodėl jis tapo pramonės numylėtiniu?
Juodas silicio karbidas šviečia daugelyje sričių dėl trijų pagrindinių privalumų, kurių kiekvienas pašalina pagrindinį pramoninės gamybos skausmą:
1. Itin kietas, todėl neįtikėtinai efektyvus šlifavimas.
Iš gamtoje esančių nemetalinių medžiagų juodasis SIC yra tik šiek tiek kietesnis už deimantą ir kubinį boro nitridą ir net už korundą (aliuminio oksidą)-jo kietumas pagal Mosą siekia 9,2 (deimantas yra 10). Dėl tokio kietumo jis yra „natūralus abrazyvas“: daugelis šlifavimo diskų, naudojamų namuose galąsdami peilius ir žirkles, yra pagaminti iš juodų silicio karbido dalelių, sumaišytų su derva; šlifavimo popierius ir šlifavimo diskai, pagaminti iš juodo SIC, taip pat dažnai naudojami gamyklose apdirbant metalines dalis (pvz., nerūdijančio plieno ir ketaus), šlifuojant stiklą ir poliruojantį akmenį-gali greitai pašalinti ruošinių paviršiaus įbrėžimus ir nelygumus ir nėra lengvai nusidėvi.
2. Atsparumas aukštai temperatūrai ir atsparumas korozijai, veikiantis kaip „ugniai atsparus sargas“
Juodojo silicio karbido lydymosi temperatūra yra net 2700 laipsnių, jis nesideformuoja ir neištirps net ilgai -naudojant aukštoje 1600 laipsnių temperatūroje. Be to, jis nebijo nei rūgščių, nei šarmų, o net stiprios rūgštys ir šarmai sunkiai jį ėsdina. Dėl šių savybių jis yra krosnių ir katilų „apsauginis sluoksnis“: keramikos gamyklų sukepinimo krosnių ir plieno gamyklų karšto srauto krosnių vidinės sienos yra išklotos ugniai atsparių plytų sluoksniu iš juodo SIC, kuris gali atlaikyti aukštą temperatūrą ir sumažinti šilumos nuostolius; kai kurie aukštos temperatūros pramoniniai vamzdžiai ir vožtuvai taip pat yra iškloti juo, kad būtų išvengta korozijos nuo aukštos temperatūros dujų ar skysčių.
3. Jis gali praleisti elektrą ir šilumą, taip pat gali veikti kaip „pagalbinis veikėjas“ elektronikoje.
Skirtingai nuo daugelio nemetalinių medžiagų (tokių kaip stiklas ir keramika), juodasis silicio karbidas yra elektrai laidus ir turi net didesnį šilumos laidumą nei ketus,-kuris suteikia jam vietą elektronikos srityje: Naujų energetinių transporto priemonių baterijų blokuose jis naudojamas „šilumai laidžių pagalvėlių“ gamybai, kad akumuliatorius greitai pašalintų šilumą, susidariusią. kai kuriuose didelės-galios elektros prietaisuose (pvz., dažnio keitikliuose ir suvirinimo aparatuose) taip pat naudojami šilumos išsklaidymo komponentai, pagaminti iš juodo SIC, kad būtų užtikrintas stabilus įrangos veikimas.
03 Be šlifavimo ir atsparumo aukštai temperatūrai, ką dar gali padaryti juodas silicio karbidas?
Juodojo silicio karbido panaudojimas yra daug platesnis, nei galite įsivaizduoti; jo galima rasti visur – nuo tradicinių pramonės šakų iki besiformuojančių sričių.
Statybų pramonėje juodųjų SIC dalelių maišymas į betoną gali padidinti kelių ir tiltų atsparumą dilimui daugiau nei 30 %, o taip pat padaryti juos atsparius šalčiui. Šio tipo „silicio karbido betonas“ naudojamas greitkeliuose daugelyje šaltų šiaurės Kinijos regionų.
Aplinkosaugos srityje iš juodo silicio karbido pagaminti „korio keramikos laikikliai“ gali būti montuojami automobilių išmetamųjų dujų valytuvuose, padedantys adsorbuoti kenksmingas dujas (pvz., anglies monoksidą ir azoto oksidus) išmetamosiose dujose.
Fotovoltinėje srityje ypač smulkūs juodi SIC milteliai reikalingi kaip „abrazyvas“, apdorojant saulės fotovoltinėms plokštėms skirtas silicio plokšteles, kad plokštelės būtų plonos ir plokščios, užtikrinant energijos gamybos efektyvumą.
04 Ar juodasis silicio karbidas gali tapti dar „galingesnis“ ateityje?
Tobulėjant technologijoms, juodasis SIC daro proveržį „didelio-tikslumo“ srityse: pavyzdžiui, mokslininkai tiria juodojo silicio karbido panaudojimą „puslaidininkiniams lustams“, kurie yra atsparesni karščiui- ir praleidžia elektrą greičiau nei tradiciniai silicio lustai, ir gali būti naudojami aukštos- energijos transporto priemonių bazinėse stotyse, pvz. kiti bando juodąjį SIC paversti „energijos kaupimo medžiagomis“, padedančiomis kaupti elektros energiją, konvertuotą iš saulės ir vėjo energijos, ir taip išspręsti naujos energijos „sunkumų kaupti“ problemą.
