سیلیکون کارباید(سنباده)

سیلیکون کارباید با نام انگلیسی Silicon carbide و نماد SiC،یک ماده سرامیکی بوده و همانطور که می دانید سه ویژگی مهم مواد سرامیکی دیر گداز بودن ، نیمه رسانا بودن و سخت بودن آنهاست که ویژگی سوم دلیل اصلی استفاده از این مواد به عنوان ساینده است.کاربید سیلیسیم،کاربوراندم،سنباده،الماس سیاه از جمله دیگر نام های این ماده می باشد.

این ماده به دو صورت طبیعی و مصنوعی وجود دارد.نوع طبیعی آن تنها در مقادیر اندک در انواع خاصی از شهاب سنگ و در رسوبات سنگ ‌تراشی و کیمبرلیت یافت می‌شود و نوع مصنوعی آن اولین بار در سال 1890 میلادی توسط ادوارد گودریچ آچسون ( اَچِسون )تولید شد.

آچسون یک شیمی دان آمریکایی بود که در سال 1856 در واشنگتن واقع در ایالت پنسیلوانیا به دنیا آمد.از سال 1880 تا 1884 برای توماس ادیسون کار می کرد اما در سال 1884 از او جدا شد و شروع به کار کردن بر روی توسعه روش های ساخت الماس مصنوعی در کوره الکتریکی کرد.او پس از حرارت دادن ترکیب خاک رس و زغال سنگ در یک کاسه آهنی بوسیله ی لامپ قوسی کربن متوجه یک ماده براق با ساختار بلوری ( هگزاگونال ) چسبیده به الکترود کربن شد.وی نام آن ماده را کاربوراندم نامید.

نکته : به فرآیند تولید مصنوعی سیلیکون کارباید، سنتز می گویند.به طور کلی به هر فرآیند شیمیایی که منجر به تولید یک ماده می شود سنتز می گویند.

روش تولید سیلیکون کارباید

این روش تولید کاربوراندم به روش آچسون معروف است و همچنان از این روش برای تولید سیلیکون کارباید استفاده می شود زیرا اقتصادی ترین روش تا به امروز بوده است.در این روش شن های کوارتز ( سیلیس) به همراه کُک پودر شده داخل یک ظرف آهنی ریخته شده و با عبور جریان الکتریسیته از یک میله گرافیتی حرارت داده می شود.این میله گرافیتی نقش هسته اصلی را بازی می کند به این صورت که ترکیب را تا دمای 1700-2500 درجه سانتی گراد حرارت می دهد.نتیجه این واکنش کربوترمیک تشکیل یک لایه سیلیکون کارباید دور میله گرافیتی و انتشار گاز مونوکسید کربن است.

چهار واکنش شیمیایی برای تولید سنباده صورت می گیرید :

C + SiO₂ → SiO + CO
SiO₂ + CO → SiO + CO₂
C + CO₂ → 2CO
SiO + 2C → SiC + CO

در واقع کل این فرآیند به صورت زیر خلاصه می شود :

SiO₂ + 3C + 625.1 kJ → SiC + 2 CO

نکته : علت رنگین کمانی بودن بلورهای سیلیکون کارباید وجود سیلیسیم دی‌اکسید تشکیل شده بر روی سطح بلورها می باشد.

تولید سیلیکون کارباید نیاز به انرژی فراوانی دارد به طوریکه برای تولید هر تن به 8000 تا 10000 کیلووات ساعت انرژی نیاز است.در کوره تولید آن معمولا نسبت سیلیس به کربن تقریبا عدد 1.70 است.یعنی به عنوان مثال 150 تن سیلیس را با 90 تن کربن باید مخلوط کرد تا 100 تن سیلیکون کارباید و 140 تن گاز مونوکسید کربن تولید شود.

مواد اولیه تولید سیلیکون کارباید

برای تولید سنباده با فاز آلفا با نسبت ترکیب 50% سیلیس خالص یا کوارتز،40% کُک با سولفور(گوگرد) کم،7% خاک اره و 3% نمک (سدیم کلراید) به 36 ساعت زمان و دمای 2200 تا 2400 درجه سانتی گراد نیاز است.بهترین نوع کربن کک نفتی است.

هدف از اضافه کردن نمک اطمینان پیدا کردن از حذف برخی از ناخالصی ها مانند کلراید های فرار است.حضور خاک اره باعث می شود ترکیب پس از واکنش دارای تخلخل بیشتری شود و تخلیه گاز مواد راحت تر شود.با این حال در دهه 1960 استفاده از نمک به دلیل خوردگی ساختار فلزی متوقف شدو همچنین استفاده از خاک اره به دلیل جلوگیری از آلایندگی متوقف شد.

کوره تولید سیلیکون کارباید

کوره های الکتریکی مورد استفاده در این فرآیند دارای حجم تقریبی معادل 1533 متر مکعب هستند و با مواد نسوز پوشیده شده اند.الکترود ها در دوسر این کوره ها به یک هسته گرافیتی متصل شده اند.مواد ترکیب شده در داخل کوره اطراف این هسته را فرا می گیرد و به صورت الکتریکی تا دمای 2200 الی 2400 درجه سانتی گراد حرارت داده می شود.

زمان حرارت دادن تقریبا 18 ساعت است اما پس از حرارت دادن به 18 ساعت دیگر زمان لازم است تا واکنش بین مواد کامل شود.پس از اتمام فرآیند و خنک شدن مواد،بدنه های کوره از یکدیگر جدا شده و موادی که در لایه بیرونی قرار دارند و واکنش نداده اند جدا می گردند.

خلوص سیلیکون کارباید

سیلیکون کارباید شکل گرفته در کوره بسته به فاصله اش از هسته گرافیتی دارای خلوص متفاوتی است.به این صورت که هرچه از هسته فاصله می گیریم خلوص آن پایین می آید.بسته به خالص بودن،رنگ آن نیز متفاوت می شود.خالص ترین سیلیکون کارباید که نزدیک ترین فاصله را نسبت به هسته گرافیتی دارد بی رنگ است.سپس کمی زرد رنگ می شود و بعد از آن سبز.این رنگ ها دارای بیشترین خلوص می باشد.پس از این رنگ ها،رنگ های آبی و مشکی هستند که اینها از خلوص کمتری برخوردار می باشند.

وجود ناخالصی هایی مانند آهن باعث می شود رنگ آن به سمت قهوه ای و مشکی برود.همچنین وجود ناخالصی هایی مانند نیتروژن و آلومینیوم باعث می شود در رسانایی الکتریکی سیلیکون کارباید تاثیر گذار باشند.

70 تن از ماده تولید شده در کوره، 8 تا 14 تن سیلیکون کارباید با کیفیت می دهد و 6 تا 12 کیلووات ساعت انرژی برای تولید 1 کیلوگرم سنباده لازم است.برای به دست آوردن سیلیکون کارباید خالص پس از خرد شدن نیاز به اسید شویی است.برای این منظور از اسید هایی مانند سولفوریک اسید،سدیم هیدروکسید و یا هیدروفلوئوریک اسید استفاده می شود.

مرحله اسید شویی

میزان خلوص سنباده های تولید شده بر اساس رنگشان عبارتست از سبز روشن با خلوص 99.8 درصد، سبز تیره 99.5 درصد، مشکی 98.8 درصد و خاکستری 90 درصد.

روش تولید سیلیکون کارباید خالص

روش دیگری که برای به دست آوردن سیلیکون کارباید خالص استفاده می شود به فرآیند لیلی موسوم است.در این روش که از تکنولوژی رشد کریستال استفاده می شود پودر سیلیکون کارباید نا خالص در یک بوته استوانه ای از جنس گرافیت که فضای آن را گاز آرگون فرا گرفته قرار داده می شود و تا دمای 2500 درجه سانتی گراد بوسیله یک سیم پیچ به روش القایی حرارت داده می شود.سیلیکون کارباید ناخالص تصعید شده و اتم های کربن و سیلیس بر روی درب بالایی بوته که خنک تر است بر روی یکدیگر ته نشین می شوند که نتیجه آن تشکیل بلورهای خالص سیلیکون کارباید است.

سیلیکون کارباید های موجود در بازار

در بازار ساینده ها، دو نوع سنباده وجود دارد،سنباده سبز و سنباده مشکی که هر کدام دارای ویژگی های متفاوتی هستند.

سنباده سبز – Green Silicon Carbide

سیلیکون کارباید سبز همانند مشکی ساخته می شود و تنها در نحوه بلور سازی با یکدیگر متفاوت هستند.نحوه بلور سازی آن باعث ایجاد خلوص و سختی بیشتر در برابر سایش می شود.سنباده سبز برای تولید آلیاژ های فلزی و غیر فلزی سخت و شکننده مانند مس،برنج،آلومینیوم،منیزیم،جواهرات،سرامیک و… کاربرد دارد.سختی آن 9.4 موس یا 2600 نوپ است.

مواد اولیه تولید سنباده سبز عبارتست از ماسه کوارتز (سیلیس)،کک نفتی یا قطران زغال سنگ،خورده های چوب و نمک.ترکیب و ذوب کردن این مواد در کوره های مقاومت الکتریکی سبب تولید سنباده سبز می شود.این ماده به عنوان مواد نسوز با درجه حرارت بالا،المنت حرارتی الکتریکی،المنت برای لوازم برقی کاربرد دارد.پودر سنباده سبز برای تولید ساینده های باند شده و صنعتی،چرخ های سنگ زنی رزینی و ویتریفای شده،سنگ های تیز کننده،سندبلاست،خمیرهای ساینده،پولیش،لپینگ،ساینده های پوشش داده شده،سرامیک ها،بدنه کوره،سپر خودرو،کامپوزیت های زمینه فلزی و موارد بسیار دیگری کاربرد دارد.

سنباده مشکی – Black Silicon Carbide

سنباده از شن کوارتز و کک نفتی (استیلن بدون دود) به عنوان مواد اصلی ساخته می شود.این ماده مشکی مات دارای کریستال های شش ضلعی است.سختی آن 9.2 در مقیاس موس است که بعد از الماس قرار می گیرد.ساختار آن تیز و شکننده است و مقاومت حرارتی بالایی دارد.

المنت حرارتی از جنس سیلیکون کارباید

تفاوت سنباده سبز و مشکی

عمده تفاوت این دو ماده در بحث سایش، نحوه بلور سازی آنها حین تشکیل شدن است.سنباده سبز مقاومت بیشتری در برابر سایش دارد (higher hardness) در حالیکه سنباده مشکی مقاومت بیشتری در برابر خرد شدن دارد ( higher toughness).همین ویژگی ها باعث می شود که سنباده سبز برای پولیش نهایی مناسب تر باشد و سنباده مشکی برای سنگ زنی.

استاندارد دانه بندی سنباده

پودر سیلیکون کارباید در نقاط بسیاری از دنیا بر اساس استاندارد (Federation of European Producers of Abrasives) FEPA دانه بندی(مش بندی) می شود.

علامت این استاندارد برای سایش سنگ حرف F است و در کنار حرف F یک عدد می آید.هرچه این عدد کوچک تر باشد سایز ذرات بزرگتر است و هرچه این عدد بزرگ تر باشد سایز ذرات کوچتر است.معمولا پودر های سنباده در ایران از سایز F16 تا F1500 هستند.