Už jste někdy zažili tuto zkušenost: váš kuchyňský nůž se po delším používání otupí, a když ho vezmete do železářství, aby ho nabrousil, mechanik jej pomocí rychle rotujícího černého brusného kotouče otírá tam a zpět; nebo v továrnách, pecích používaných k vypalování keramiky a tavení kovů, i když jsou neustále vystaveny teplotám nad 1000 stupňů, zřídka mají vnitřní stěny propálené. Ve skutečnosti se za oběma těmito věcmi skrývá stejný „průmyslový vše-kulatější“-černý karbid křemíku.
01 Pojďme si rozumět: Co přesně je černý karbid křemíku?
Jak název napovídá, základními složkami černého karbidu křemíku jsou „uhlík“ a „křemík“ s chemickým vzorcem SiC. V podstatě se jedná o synteticky vyrobený anorganický ne-kovový materiál. Není to přírodní minerál, ale spíše „rafinovaný“ z běžných každodenních materiálů: Křemenný písek a ropný koks se smíchají ve specifickém poměru, přidá se malé množství soli a poté se několik dní „vypaluje“ v odporové peci při 1800-2200 stupních. Při této vysoké teplotě křemík v křemenném písku a uhlík v ropném koksu reagují a nakonec tvoří černé krystalické částice – to je černý karbid křemíku.
Proč je černá? Protože jeho čistota není nijak zvlášť vysoká (obvykle mezi 95 % a 98 %) a malé množství zbytkových nečistot mu dodává tmavě šedý nebo černý vzhled. Pokud se čistota zvýší nad 99 %, stává se dalším běžným materiálem-zelený karbid křemíku (se zelenkavým odstínem).
02. „Superschopnosti“ černého karbidu křemíku: Proč se stal průmyslovým miláčkem?
Černý karbid křemíku září v mnoha oblastech díky svým třem základním výhodám, z nichž každá řeší klíčovou bolest v průmyslové výrobě:
1. Extrémně tvrdý, díky čemuž je neuvěřitelně účinný při broušení.
Mezi-kovovými materiály v přírodě je černý SIC jen o něco tvrdší než diamant a kubický nitrid bóru a dokonce tvrdší než korund (alumina)-jeho tvrdost podle Mohse dosahuje 9,2 (diamant je 10). Tato tvrdost z něj dělá „přirozené brusivo“: mnoho brusných kotoučů používaných v domácnosti k broušení nožů a nůžek je vyrobeno z černých částic karbidu křemíku smíchaných s pryskyřicí; brusný papír a brusné kotouče vyrobené z černého SIC se také běžně používají v továrnách na zpracování kovových dílů (jako je nerezová ocel a litina), broušení skla a leštění kamene-umožňují rychle odstranit otřepy a nedokonalosti z povrchu obrobků a nesnadno se opotřebovávají.
2. Vysoká teplotní odolnost a odolnost proti korozi, působí jako "ohnivzdorný strážce"
Černý karbid křemíku má bod tání až 2700 stupňů a nedeformuje se ani neroztaje ani po dlouhodobém-používání při vysoké teplotě 1600 stupňů. Navíc se nebojí kyselin ani louhů a dokonce i silné kyseliny a louhy jej těžko rozleptají. Tyto vlastnosti z něj dělají „ochranný plášť“ pro pece a kotle: vnitřní stěny slinovacích pecí v keramických továrnách a horkovzdušných kamen v ocelárnách jsou obloženy vrstvou žáruvzdorných cihel z černého SIC, které odolávají vysokým teplotám a snižují tepelné ztráty; některé vysokoteplotní průmyslové trubky a ventily jsou jím také vyloženy, aby se zabránilo korozi plyny nebo kapalinami o vysoké teplotě.
3. Může vést elektřinu a teplo a může také fungovat jako "podporující aktér" v elektronice.
Na rozdíl od mnoha-kovových materiálů (jako je sklo a keramika) je černý karbid křemíku elektricky vodivý a má ještě silnější tepelnou vodivost než litina,-což mu dává místo v oblasti elektroniky: V bateriových sadách nových energetických vozidel se používá k výrobě „tepelně vodivých podložek“, které rychle odvádějí teplo vznikající při provozu baterie a brání přehřátí baterie; u některých-elektrických spotřebičů s vysokým výkonem (jako jsou frekvenční měniče a svářečky) se k zajištění stabilního provozu zařízení používají také komponenty pro odvod tepla vyrobené z černého SIC.
03 Co jiného kromě broušení a odolnosti vůči vysokým teplotám dokáže černý karbid křemíku?
Použití černého karbidu křemíku je mnohem širší, než si dokážete představit; lze jej nalézt ve všem, od tradičních průmyslových odvětví po nově vznikající obory.
Ve stavebnictví může přimíchání černých částic SIC do betonu zlepšit odolnost silnic a mostů proti opotřebení o více než 30 % a také je učinit mrazu-odolnými. Tento typ „betonu z karbidu křemíku“ se používá na dálnicích v mnoha chladných oblastech severní Číny.
V oblasti životního prostředí lze do čističek výfukových plynů automobilů instalovat „voštinové keramické nosiče“ vyrobené z černého karbidu křemíku, které pomáhají adsorbovat škodlivé plyny (jako je oxid uhelnatý a oxidy dusíku) ve výfukových plynech.
Ve fotovoltaické oblasti je potřeba extrémně jemný černý prášek SIC jako „abrazivo“ při zpracování křemíkových plátků pro solární fotovoltaické panely, aby byly pláty tenké a ploché, což zajišťuje účinnost výroby energie.
04 Může být černý karbid křemíku v budoucnu ještě „výkonnější“?
S technologickým pokrokem dělá black SIC průlomy v „vysoko{0}}přesných“ oblastech: vědci například zkoumají použití černého karbidu křemíku k výrobě „polovodičových čipů“, které jsou odolnější vůči teplu- a vedou elektřinu rychleji než tradiční křemíkové čipy a mohou být použity v budoucích-zařízeních, jako jsou nová energetická vozidla 5G jiní se snaží udělat z černého SIC „materiály pro skladování energie“, aby pomohly ukládat elektrickou energii přeměněnou ze sluneční a větrné energie, čímž řeší problém „obtíže při ukládání“ nové energie.
