Карбид кремния: карборунд

В наши дни карборунд получают в электрических печах, но без вольтовой дуги. В массивные торцевые стены печи вделаны угольные электроды, на которые подается ток. Через всю печь от одного торца к другому идет коксовый стержень — керн. Нефтяной кокс проводит электричество плохо, и почти вся электрическая энергия превращается в тепловую. А вокруг керна насыпают измельченную и тщательно перемешанную шихту—смесь кварцевого песка с коксом.
При высокой температуре в печи идут два процесса. Сначала углерод окисляется до CO, отбирая кислород у кремния, а затем кремний возгоняется и, реагируя с еще не использованным углеродом, превращается в карборунд. Несложно подсчитать, что количество кокса в смеси должно быть больше, чем песка. На получение молекулы карбида кремния приходится затрачивать три атома углерода.

А еще в шихту добавляют поваренную соль и древесные опилки. Они нужны, чтобы материал был достаточно пористым и была возможность отвести выделяющуюся окись углерода.

Образование карбида кремния начинается уже при 1600 °С, но кристаллы, образовавшиеся при этой относительно низкой температуре, позже, при 1900—2000 °С, перестраиваясь, приобретают гексагональную форму и растут. Весь процесс образования технического карборунда длится 30—40 часов.
Потом печи дают остыть, разбирают ее боковые стены и по-следовательно, по слоям, извлекают сначала непрореагировавшую шихту, затем промежуточные продукты и, наконец, мелко-кристаллический и крупнокристаллический карборунд. Последний образуется в сравнительно тонком слое, непосредственно прилегающем к керну.

Технический карборунд (примерно 97% SiC) окрашен. Он бывает черного или зеленого цвета — в зависимости от примесей. Между прочим, те же цвета характерны и для технического алмаза: и природного, и искусственного.
Такой карборунд используют прежде всего как абразивный материал. Как уже отмечалось, он очень тверд. Но и хрупок. Поэтому карборундом пользуются для шлифовки либо еще более хрупких материалов (фарфор, мрамор, гранит), либо материалов, которым свойственна значительная вязкость, таких, например, как бронза. В основном из-за хрупкости карборунд используют в меньших масштабах, чем другой известнейший абразивный материал — корунд.

Широко применяют карборунд в металлургии и в химической промышленности. Здесь важны его другие свойства — термостойкость и устойчивость к действию кислорода и большинства кислот. На заводах, производящих лист стальной и металлические трубы для химически опасных сред, используют карбокорунд. Только смесь плавиковой и азотной кислот способна разъесть кислотоупорные материалы на карборундовой основе, и еще фосфорная кислота (при температуре выше 230 °С). Не много найдется материалов, столь устойчивых к разрушительному действию кислот.

Из технического карборунда, смешивая его с порошкообразным кремнием и глицерином, делают силит — материал для нагревательных элементов, работающих в лабораторных электрических печах. Из карборундо-кремниево-глицериновой смеси прессуют стержни, которые затем обжигают при 1700°С в среде окиси или двуокиси углерода. Силитовые стержни могут работать при температуре до 1500 °С и, что не менее важно, в них практически не возникают индукционные токи.

Электричества чистый карбид кремния не проводит. Однако с помощью строго дозированных примесей его можно превратить в полупроводник. В отличие от классических полупроводников— кремния и германия, он сохраняет полупроводниковые свойства при температуре 1000 °С.

Естественно, полупроводниковый карбид кремния получают иначе, чем технический карборунд. Монокристаллы выращивают из растворов углерода в расплавленном кремнии.

Технический карборунд можно очистить от большинства примесей перегонкой в вакууме. Жидкое состояние этому веществу вообще «противопоказано». Карбид кремния плавится с разложением при температуре 2830 °С, а в восстановительной среде его вообще нельзя расплавить, ибо он начинает разлагаться при 2350 °С, превращаясь в кремний и графит...

Самое полезное свойство карборунда — высокую стойкость к истиранию иногда используют при сооружении вокзалов и станций метро. Из материалов, в состав которых введен мелкокристаллический карборунд, делают панели и плиты, по которым ежедневно прошаркивают многие тысячи подошв.

Вероятно, строители рассуждают правильно: лучше уж пусть стираются подошвы, чем плиты пола на бойком месте, где ремонтные работы сопряжены с потерей времени многими и многими людьми...