مقدمه :

امروزه توليد مواد مقاوم و با دوام در برابر عوامل محيطي از جمله خوردگي ، سايش ، تغييرات دمايي و .. متداول گشته است . از آنجايي که سيليسيم کاربيد ( SiG) ماده اي مقاوم و مناسب جهت مصارف مختلف است در اين مقاله سعي در آشنا کردن شما با خواص ، توليد و ويژگي هاي اين ماده ي ارزشمند مي کنيم . اميدواريم که مطالب بيان شده کمکي هر چند کوچک در جهت بهروزي و پيشرفت مملکت بزرگ و اسلاميمان نمايد .

سيليسيم کاربيد :

سيليسيم کاربيد ماده اي کريستالين ( بلوري ) با وزن ملکولي 07/40 است که از لحاظ رنگ از زرد کمرنگ يا سبز تا ياه است . که اين رنگها وابسته به نوع ناخالصي هاي آن خاست .
صفحات هکزاگونال سبزرنگ سيليسيم کاربيد که به صورت طبيعي در فلزات شهاب سنگ کانن ديابل ، آريزونا ( Canon Diablo , Arizona) گزارش شده است و نام معدني موسانيت ( Moissanite ) دارد . که علت اين نامگذاري هنري موليسان ( Henri Moisson ) است . البته صرف نظر از اين مطلب اين ماده ( SiG) ماده اي مصنوعي است .
توليد تجاري اين ماده که در کوره ي الکتريکي انجام مي شود معمولاً کلوخه هايي از کريستال هاي رنگ وارنگ ايجاد مي کند . اين رنگ وارنگ شدن به علت تشکيل لايه اي نازک از سيليس ( ) بر روي سطح سيليسيم کاربيد است که با شستشو با اسيد فلوريک ( HF ) از بين مي رود .
عمده ترين مصرف سيليسيم کاربيد در صنايع نسوز و ساينده ها است دانه هايي از محصولات تجاري سيليسيم کاربيد که به وسيله ي آسياب کردن ايجاد شدند در رنگهاي مشکي و سبز به نظر مي آيند . از اين ماده در اجزاي گرم کننده ي کوره هاي الکتريکي استفاده مي گردد . همچنين در جاهايي که مقاومت در برابر پرتوهاي هسته اي نياز است از اين ماده استفاده مي شود .
در سال 1891 ، آچسون ( Acheson ) مقدار کمي سيليسيم کاربيد در هنگام آزمايش و به صورت تصادفي توليد کرد که کمک به توليد مواد سخت از کربن و گل کرد .

عکس شماره ي (1) : سيليسيوم کاربيد تک کريستال
او ولتاژ بالايي را از ميان مخلوطي از گل و کک به وسيله ي الکترود گرافيتي عبور داد . اين مواد در محفظه اي آهني قرار داشتند ، اين محفظه ي آهني نقش الکترود ديگر را داشت آچسون به ارزش سايندگي اين مواد بلورين ايجاد شده پي برد و آنها را آناليز کرد و به فرمول آن پي برد . او در سپتامبر سال 1891 کمپاني ، کربواندوم ، را بنا نهاد و در 10 مي ، 1892 ، مقاله اي در اين زمينه منتشر کرد.
مراجعي که بعضي مواقع در مورد کار بر روي ترکيبات کربن و سيليکون به وجود آمده و مدعي اين هستند که زودتر از آچسون کار کرده اند در مرجع 3 آمده است ( مخصوصاً کساني مانند کالسون و اشتزنبرگ ( Colson and Schutzenberg ) که بر روي ترکيبات اکسيدي کار مي کردند ). آنها گزارشاتي در مورد راديکال هاي 4 اتمي از سيليکون ( Si ) در سال 1881 دادند . کالسون در سال 1882 ، گزارشي در مورد روشي براي کاهش سيليکون ( Si ) داد که نتيجه ي آن ( ) گزارش شد .
10 سال بعد در 16 مِي 1892 ، اشتزنبرگ گزارشي در مورد مطالعه و اصلاح فرمول انجام داد و فرمول را به صورت SiG تصحيح نمود . حتي پيش از کالسن ، مارسدن در سال 1881 ، چيزي را که احتمالاً سيليسيم کاربيد بود توليد کرد . او در حال کار روي « تهيه ي کربن الماس مانند يا دياموند » بود . اما مارسدن بدون تحقيقات بيشتر اين بلورهاي ناشناس را کنار گذاشت .
مويسان همچنين فرمول SiG را پيدا کرد . اما نتايج خود را تا زماني بعد از آن منتشر نکرد . حقيقت امر اين است که اگر خوب بخواهيد بدانيد از اطلاعات کنوني در مورد توسعه ي پروسه ها ، اين مورد مورد قبول است که سيليسيم کاربيد توسط برزليوس ( Berzelius ) [6] تهيه شده است . ( در آزمايشاتي که در سال 1810 انجام شد ) . و دوباره در سال 1824 ، ديسپرت ( Despretz) [7] اين کار را انجام داد . او در حال آزمايش بر روي بر طرف کردن ناخالصي ها بود و البته با اين ناخالصي ها مشکل داشت . ( در سال 1849 ) .
با وجود اين دو تا از برنده هاي اين نشان و اولين مخترعين اين ماده به طور آشکار آچسون و کالسون هستند . کارهاي کالسون زودتر انجام شده اما گزارش فرمول درست تقريباً همزمان بوده است . اکنون اين سخت است که نتيجه بگيريم که کداميک از اين مردها مخترع اين ماده هستند .
اما از آن جايي که آچسون پشت کار دقيق تري در مورد تشخيص پتانسيل هاي اين ماده ي تازه از خود نشان داد . موجب توليد صنعتي اين ماده شد . اين به نظر مي رسد که بايد او را در مورد اين کشف سر آمد بدانيم . در حالي که همه ي اعتباري که به کالسون مي دهيم . براي همکاري اصلي در زمينه ي شيمي ر کاربيد است .

عکس شماره ي (2) : بلورهاي سيليسيوم کاربيد ( SiG )

خواص ( property ) :

خواص سيليسيم کاربيد وابسته به خلوص و روش تهيه ي نمونه هاي آن است . تعدادي از داده هاي ارائه شده در دسترس است که در تعداد معدودي اختلاف وجود دارد [10 ـ 8 ] حتي آن نمونه هايي که مي توان آن را به صورت تک کريستال رشد داد . داراي داده هاي متفاوتي هستند که به خلوص و حتي نوع يا بودن سيليسيم کاربيد وابسته است .
هنگامي که در قطعات ، نمونه هاي بزرگتر را بخواهيم بسازيم مسئله ي ديگري پيش مي آيد که عبارت اند از : اندازه ي دانه ي مواد خام ، تخلخل ، نوع پيوند بين دانه ها و ...
براي نزديک شدن هر چه بيشتر به خواص سيليسيم کاربيد به طور خود به خود مقاديري را انتخاب مي کنيم که به روزتر باشند و در آزمايشاتشان از مواد با خلوص بالاتري بهره برده باشند . به عنوان مثال خود پيوندي ( Self – bonded ) يا دوباره بلوري شدن سيليسيم کاربيد است .
اين اطلاعات هنوز مورد بحث است . به عنوان مثال توليدات يا روشهاي تست کردن که هر روزه بهبود يافته اند . اما از آنجايي که توليدات مصنوعي سيليسيم کاربيد ، مخصوصاً براي آنهايي که ساينده هاي قديمي هستند و در توليدات نسوز کاربرد دارند . از اين نوع جديد ، مواد پر دانسيته توليد نشده است . اطلاعات بر رو يچنين توليداتي بايد از توليد کننده گرفته شود .

عکس شماره ي (3) : کاربرد سيليسيوم کاربيد در صنايع نسوز

خواص فيزيکي ( physical property ) :

سختي ( hordness) احتمالاً بهترين خاصيت شناخته شده ي سيليسيم کاربيد است . آن اغلب داراي وضعيت 5/9 در مقياس موهس است . اما اين بيان از آن جايي آمده که اين ماده بين الماس در حالت 10 و کوراندوم ( ) در حالت 9 است . تست هاي آزمايشاتي امروزه توسعه يافته که عمدتاً شامل مقاومت فشاري، ضربه ، مقاومت سايش و ... است .
روش سختي نوپ به وسيله ي نشانگذار الماسه دار که توسط تيبالت ( فاهذشعمف ( , kd;,mdsj ) Niyquist ) مورد استفاده شده است . معمولاً استفاده مي شود [12] .
سختي نوپ 100 g : جدول شماره ي 1

ميانگين اطلاعات سختي نوپ زير بار 100 g با نشانگذار الماس که در آزمايشگاه شرکت کربوراندوم تعيين شده است در جدول 1 آمده است .
اين ارقام نشان دهنده ي ميانگين چندين اندازه گيري هستند ، تفاوت تستها بر روي سيليسيم کاربيد احتمالاً به علت اين حقيقت است که اين ماده سختي بيشتري در يک جهت دارد . اين ماده ان ايزوتروپ است . محققين ولف ، تومان ، فيلدوکلاوک سختي نوپ در زير بار 25 گرم را تعيين کردند . به جاي اينکه از بار 100 گرم استفاده کنند [13]
کرانز ( Kranz ) عدد سختي ويکرزي به اندازه ي 5100 کيلوگرم بر ميلي متر مربع در زير بار 100 گرم به دست آورد . [14]

چگالي نسبي :

تيلور وليدلور ( Taylorand Laidler ) با استفاده از پارامترهاي شبکه دانسيته ي نسبي سيليسيم کاربيد را محاسبه کردند آنها عدد 208/3 براي فرم و 210/3 براي نوع به دست آورند [15] اما لردي که به صورت متداول استفاده مي شود 2/3 است . که براي بيشتر کارها با دقت کافي است . براي کيفيت هاي بالا ، دانسيته ي نسبي 1/3 براي قطعات پر دانسيته اختصاص مي يابد که 96 % دانسيته اي که به روش تئوريک به دست مي آيد و اين تفاوت نيز نتيجه ي تخلخل است .

کشش :

محاسبات اخير که بر روي سيليسيم کاربيد انجام شده است ( پليت ليت ( plotelets ) تک کريستال از SiC مورد آزمايش قرار گرفته اند . ماکزيمم استقامت در پوندهاي عرضي که توسط « باتا و هاسلمن ( Batha and Hasselman ) اندازه گيري شده است از يک ميليون پوند بر اينچ مربع تجاوز مي کند . [16] استقامت در دماي 1750 درجه ي سانتيگراد براي ضخامت يکسان از نمونه ها سه الي چهار برابر استقامت در دماي اتاق است . گزارشات کامل در مورد اين پديده در منبع [17] آمده است .
اثر دما بر استحکام سيليسيم کاربيد در جدول 2 آمده است .
اثر دما بر روي مقاومت SiC : جدول شماره ي 2

مدل يانگ :

هاسلمن ( Hasselman) [18] مدول يانگ 3896 کيلوبار در دماي اتاق را پيشنهاد کرد . که با توافق با واچمن ( wachtman) و ماکسول ( Maxwell ) [19] مدول يانگ براي SiC عدد 3868 کيلوبار پيشنهاد شد .

مدل برشي :

هاسلمن ( Hasselman) عدد 1673 را براي مدول برشي SiC پيشنهاد کرد [18] در مورد سميت SiC بايد گفت که ميزان سميت آن تقريباً 16/0 تا 18/0 است . ـ عدد 150000 پوند بر اينچ مربع براي مقاومت فشاري توسط پيرل ( pearl ) ، نواک ( Nowack ) و ديبان ( Deban ) گزارش شد [10]

خواص نوري :

سيليسيم کاربيد ماده اي با ايندکس نسوزي بالايي است . با قدرت شکست نور خيلي قوي و پخش نور بالا است .

خواص ترموديناميک ( Thermo dynamic property ) :

گرماي تشکيل سيليسيم کاربيد آلفا ( ) براي واکنش زير :
توسط درووارت ( Drowort ) و دي ماريا ( De Maria ) [20] به وسيله ي داده هاي طف سنج جرمي به دست آمده است :
همچنين مقدار آنتالپي توسط ديويد آنتورپ ( David , Anthorp ) و سيرسي ( Searcy با استفاده از سلول کاندسون ( Knadson cell ) به صورت زير است :

ظرفيت گرمايي و آنتروپي :

آخرين ارقام قابل قبول براي ظرفيت گرمايي و آنتروپي آنهايي است که توسط هامفري ( Hamphrey ) ، توود ( Todd ) و کوگلن ( Coughlin ) و کينگ ( King ) ارائه شده که در جدول 3 آمده است (8)
ظرفيت گرمايي و آنتروپي : جدول 3

دياگرام فازي سيستم سيليسيم کاربيد و منحني کربن ـ سيليکون ( C-Si ) به وسيله ي اسکيس ( Scace ) و اسلاک ( Slack ) تهيه شده است . که آنتالپي حلاليت آن گزارش شده است . [20 ـ 22 ]

واکنش هاي شيميايي ( chemical Reactions ) :

سيليسيم کاربيد از لحاظ شيميايي خنثي است . تنها واکنش که ممکن است اتفاق افتد که موجب تغيير ماهيت آن گردد اين است که S:C با يک مخلوط از پتاسيم دي کرومات و قلع کرمات حرارت داده شود . اين واکنش در دماهاي تقريباً بالا اتفاق مي افتد . سيليکات سديم به سيليسيم کاربيد ( SiC ) در دماي بالاتر از 1300 درجه سانتيگراد حمله مي کند .
اين ماده با کلسيم اکسيد ، منيزيم اکسيد در دماي بالاتر از 1000 درجه سانتيگراد و با اکسيد مس در دماي بالاتر از 800 درجه سانتيگراد واکنش داده و به حالت سيليسيد فلز در مي آيد . اين ماده در برابر مواد قليايي مانند پتاسيم کرومات يا سديم کرومات تجزيه مي شود و همچنين در بوراکس يا کريوليت ( Cryolite ) مذاب ، با هوا و بخار واکنش مي دهد ، اگر چه نوع جديد و چگال اين ماده ، مقاومت بهتري در برابر اين مواد در مقايسه با مواد تهيه شده در قبل دارند .
اين ماده نسبت به کلرين ( Chlorine ) در زير دماي 700 درجه سانتيگراد مقاومت دارد . بالاتر از اين دما واکنشي اتفاق مي افتد که کربن و سيليسيم تتراکلريد مي دهد . واکنش هاي زير براي اين واکنش ها پيشنهاد شده است :

توليد ( Manu facture ) :

سيليسيم کاربيد به صورت تجاري به وسيله ي واکنش در يک کوره ي الکتريکي که با ماسه هاي سيليکاتر با کيفيت مناسب و مقدار کمي کربن ( البته با توجه به نسبت اتوکيلومتري ) شارژ شده است توليد مي شود .
کربن در حالت کک يا زغال سنگ آنتراسيت باخلوص 95 % است . به مخلوط مقداري خاک اره اضافه مي شود . که علت اضافه کردن آن افزايش تخلخل در مواد اوليه و افزايش گردش گازهاي واکنش دهنده است . واکنش معمولاً در دو مرحله انجام مي گردد ، کربن مونوکسيد در طي واکنش ايجاد و در سطح مواد اوليه ( خوراک کوره ) مي سوزد .
کوره هاي مقاومتي تجاري ممکن است 60 فوت طول داشته باشند و نزديک به 10 فوت پهنا و به عنوان يک ظرف با ديوارهاي آجرچين در داخل يک پوسته از فولاد فشرده که مي تواند مرحله به مرحله جدا شود ساخته شده است .
درش يوه ي مدرن فراهم کردن مواد خوراک کوره شامل توزين کننده هاي اتوماتيک و سيستم هاي مخلوط کننده و حمل کننده به داخل کوره به وسيله ي تسمه نقاله ها يا به وسيله ي هاپرهاي ( قيف هاي ) بزرگ که به وسيله ي جرثقيل حمل مي شوند به بالاي کوره منتقل شوند . مفاهيم ساخت کوره هاي توليد کننده ي سيليسيم کاربيد در بين سال 1959 توسط ام سي مالن بازبيني گشت [23]
پيشرفت هاي ديگر که اخيراً انجام شد جايگزيني زغال سنگ آنتراسيت به جاي مقداري از کک يا تمام کک مصرفي [24] .
ورود گازهاي کلرين سبب کاهش و زدودن ناخالصي ها ا زمحصولات مي گردد . [25] و اضافه کردن مقدارهاي کم بورن ، تيتانيم ، و زيکون به خوراک کوره دماي ذوب کوره ا به صورت محسوسي به 900 درجه تا 1100 درجه ي سانتيگراد کاهش مي دهد . [26]
مقدار توليدي سيليسيم کاربيد بر کيلووات ساعت برق مصفي بر اساس کيفيت توليد متفاوت است .
که سرعت توليد تقريباً 35 درجه پوند ر کيلو وات ساعت نوع سياه با کيفيت بالا و با سرعت 25/0 نيز مي رسد و براي نوع سبز 18/0 پوند بر کيلو وات ساعت است .
سيليسيم کاربيد اولين بار در سال 1892 توليدشد ، اما توليد آن از 1000 تن در سال تجاوز نمي کرد تا سال 1918 با افزايش کاربرد و به صرفه بودن اقتصادي اين ماده توليد آن افزايش يافت .
در سال 1929 توليد آن 30000 تن گزارش شده و هميشه توليد آن در حال افزايش است .

عکس شماره ي (4) : کاربرد سيليسيوم کاربيد در صنايع ساينده

کاربردها ( Applications ) :

بيشترين مصرف اين ماده در بخش ادوات و ابزار آلات ساينده است . اين ماده در اشکال مختلف جهت فرآيند برش استفاده مي شود . اين ماده را با مواد آلي و غير آلي مخلوط و براي براده برداري از سطوح مختلف استفاده مي کنيم . در بخش نسوز نيز به علت ضريب انبساط کم ، رسانايي رمايي بالا و خنثي بودن شيميايي و فيزيکي سيليسيم کاربيد را به عنوان يک ماده ي پر ارزش براي استفاده در بخش نسوزها استفاده مي کنيم .
همچنين اين ماده کاربردهاي فراوان ديگري دارد که در بحث اين مقاله نمي گنجد و به صورت تيتروار بيان مي گردد . اميدواريم که بتوانيم در اينده ي نزديک در مورد کاربردهاي سيليسيم کاربيد ، اين ماده ي ارزشمند سخن بگوييم .
1 ـ صنعت ساينده ها ( Abrasives )
2 ـ پوشش هاي سطحي ( Wear surfaces )
3 ـ نسوزها ( Refractories )
4 ـ الکترونيک و کاربردهاي الکتريکي ( Electrical application )
5 ـ متالوژي ( Metallurgical application )
6 ـ و استفاده هاي ديگر
منابع: کتاب شناسي
Silicon carbide treated in ECT 1st ed. Under carbides (silicon ) , Vol.2 , pp.854-866 , by M.
Constance Parche , The Carborunum Company .
1.E.G.Acheson , J.Franklin Inst . 136 , 193 , 203,279-289 ( 1893 )
2.U.S.Pat.492,767 ( Feb.28 , 1893 ) , E.G.Acheson ( to The Carborunndum co).
3. A.Colson , compt.Rend .94,1316-1318(1882)
4.P.Schutzenberg,Compt.Rend 114,1089-1093(1892
5.R.S.Marsden , Proc.Roy. soc.edinburgh 11 , 20 – 27 , 37-40 ( 1881 ) .
6 . J.J.Berzelius,ANN.Physik (Gilberts)New Series 6 , 36 , 89 -102(1810).Ann.Physik Chem.(poggendorf )1,169-230 (1824)
7 . M.Depretz,compt.rend.29,709 – 724(1849)
8.G.L.Humphrey , et al,U.S.Bur.Mines rept.Invest.4888(july 1952)
9.I.B.Fieldhose,J.C.Hedge,J.I.Lang,and .T.E.Waterman,WADC Technical rept. 57-487 (ASTIA Document AD150 , 954 ) , Wright Air Development center , wright – patterson Air Force Base,Ohio , July 1957.
10.H.A.Pearl,J.M.Nowak,and H.J.Hirschhorn , Handbook of Thermophysical Properties of solid materials , Vol.3, rev.ed,The Macmillan co.,NewYork , 1961 , pp.923-936.
12.N.W.Thibault and H.L.Nyquist,trans.Am.Soc.Metals38,271-330(1947).
13.G.A.Wolff,L.Toman,Jr,N.J.Field , and J.C.Clark , in M.Schoen and H.Welker.eds.semiconductors and phosphors:proceedings of the international colloquium1956,inGarmisch-partenkirchen.interscience publishers , a division of john wiley &sons, inc , NEW York , 1958 , pp.463-469.
14.R.Kranz,Hamburger Beilr.Angew.Mineral.Kristallphys.petrogenese2,99-115(1959).chem .Abst.54,22125a(1960)
15.A.Taylor and D.S.Laidler , Brit.J.Appl.Phys.1,174-181(1950)
16.H.D.Batha and D.P.H.Hasselman , Mechanical properties of silicon carbide single crystsls Dept.of the Navy bur.of Naval Weapons , Final. Contract No .Now-61-0676v,may 12,1961 –Aug.12,1962 (Sept,1962).
17.R.A.Alliegro,L.B.Coffinand J.R.Tinklepaugh , J.Am.Ceram.Soc.39,386-389(1956).
18.D.P.H.Hasselman,Tables for the computation of the shear modulus and youngs Modulus of Elasticity from the Resonant frequencies of rectangular prisms,Res.and Dev.Div,The Carbo-rundum co.Niagara Falls,N.Y.1961.
19.J.B.Wachtman ,Jr.and L.H.Maxwell , WADC Technical Rept.57-526(ASTIA Document AD142,245)w right Air Development Center , Dec.1957.
20.J.R.OConnor and J.Smiltens,eds silicon carbide A High Temperature Semiconductor , proc.Conf.on silicon cabide, pergamon press,Inc.New York , 1960.
21.S.G.Davis.D.F.Anthorp, and A.W.Searcy , J.Chem .Phys.34,659-664(1961).
22.R.I.Scace and G.A.Slack , J.Chem.Phys.30,1551-1555(1959).
23.J.C.Mcmullen , J.Electrochem.Soc.104,462-465(1957)
24.A.V.Alferov.Abrasivy 1956(15) , 13-20.chem.Abstr.53,13840a(1959)
25.U.S.Pat.2,913,313(Nov.17,1959)F.Schroll (toelektroschmelzwerk Kempten G.m.b.H)
26.u.s.Pat.2,908 , 553(Oct.13,1959)H.Frank and E.Wilkendorf.
/خ