Искусственный абразивный материал карбид кремния

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Нижнекамский  химико-технологический институт (филиал)

федерального  государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Казанский  национальный исследовательский технологический университет»

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ:

Искусственный абразивный материал карбид кремния

 

 

 

 

 

                                                    Выполнила: Савинова М. А.

                                                   Проверила: Алмакаева Ф. М

 

 

                        

               

Нижнекамск 2011 год

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение                         3

Общие сведения                  4

Искусственный абразивный материал карбид кремния   6

Свойства  карбида кремния                9

Применения                  10

Физико-химические свойства карбида кремния                          11

Заключение                   12  

Список использованной литературы               13

 

ВВЕДЕНИЕ

Любой достаточно твердый материал обладает по отношению  к менее твердому абразивными свойствами (abrado, abrasi (лат.) - скоблить). Твердость определяется сопротивлением материала, чья поверхность подвергается скоблению. Степени твердости, представленные в относительной шкале Мооса выведены на основании наблюдения за тем, насколько легко или трудно один материал может оскоблить другой.

            С далёких времен абразивные  свойства камня использует человек.  Позднее, добывание и обработка  абразивных минералов стали предметом  горных промыслов. Ни одна из  отраслей промышленности не обходится  без шлифования. Абразивные материалы  подразделяют на два типа:

• Естественные (корунд, гранат, кремень и др.)
• Искусственные (карбид кремния черный, монокорунд, агрегат и др.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                               ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ                        

            Абразивные материалы (фр. abrasif — шлифовальный, от лат. abradere — соскабливать) — это материалы, обладающие высокой твердостью, и используемые для обработки поверхности различных материалов. Абразивные материалы используются в процессах шлифования, полирования, хонингования, суперфиниширования, разрезания материалов и широко применяются в заготовительном производстве и окончательной обработке различных металлических и неметаллических материалов. Абразивы и абразивные материалы именуются так же: шлифовальные материалы, шлифовальное зерно, абразивное зерно, шлифзерно и т.п. 
Абразивные материалы – это зернистые порошковые вещества, по-другому химические соединения элементов, это материалы, которые обладают высокой твёрдостью, но в то же время и своей хрупкостью. 

           Абразивный материал, далее абразив в современном представлении - это сыпучий материал, полученный путем дробления и рассева природных кристаллических минералов или искусственных (синтетических) материалов, подразделяющийся по способу применения на три основные группы:

• свободные абразивы
• абразивы в связке
• абразивные покрытия

В зависимости от размеров зерен, абразивы делятся на следующие виды: 
 
Шлифзерно - 2000-160 мкм.; 
Шлифпорошки - 125-40 мкм.; 
Микропорошки - 63-14 мкм.; 
Тонкие шлифпорошки - 10-3 мкм.. 
 
Способы классификации, размеры и обозначение зернистости шлифматериалов регулируются стандартом ГОСТ 3647-80.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИСКУССТВЕННЫЙ АБРАЗИВНЫЙ МАТЕРИАЛ КАРБИД КРЕМНИЯ

        Абразивная промышленность производит зеленый и черный мелко- и крупнокристаллический карбиды кремния, относящиеся к a-SiC структуре гексагональной модификации. Минерал кристаллизуется в виде пинакоидальных пластинок, имеющих игольчатую форму.

Карбид кремния (SiC) - абразивный материал, получаемый в электрических печах сопротивления силицированием частиц углерода парами кремниевой кислоты. Сырьем служат материалы, богатые кремнеземом: жильный кварц, кварцевые пески и кварциты, содержащие не менее 99,0-99,5% SiO₂, а также углеродистый материал - малозольный нефтяной кокс. Для улучшения газопроводности к шихте добавляют некоторое количество древесных опилок, а при производстве зеленого карбида кремния - еще и поваренную соль. Нагревательным элементом печи является токопроводящий керн из углеродистых материалов. Карбид кремния образуется при температуре 1500-2300 ^оС.

Хрупкость карбида кремния является следствием кристаллической структуры  и типа химической связи и сочетается в нем с высокой твердостью. Карбид кремния имеет три полиморфные  модификации: гексагональную и тригональную (б-SiC), а также кубическую (в-SiC). Мелко- и крупнокристаллический карбид кремния абразивного назначения относится к б-SiC-структуре (политипы 4Н, 6Н, 15R и др.). В этом типе карбида кремния полностью отсутствует модификация в-SiC. Микротвердость монокристаллов наиболее высокая у политипа 15R, ниже у политипа 6Н и еще ниже у политипа 4Н.

Химически чистый карбид кремния бесцветен  и прозрачен, а технический окрашен  от светло-зеленого до черного цветов, в зависимости от состава и  содержания примесей.

Промышленность производит два  вида карбида кремния промышленного  назначения: зеленый и черный. В  процессе производства наиболее часто  встречаются структурные типы 6Н (бесцветные или светло-зеленые кристаллы), 4Н (темно-синие, черные, почти непрозрачные кристаллы), реже 15R (кристаллы желтоватого  оттенка). Промышленный зеленый карбид кремния почти целиком состоит  из б-SiС 6H; черный на 60% представлен политипом 6Н и на 40% политипом 4Н. По химическому составу и физическим свойствам зеленый и черный карбиды кремния отличаются незначительно, однако зеленый карбид кремния содержит меньше примесей, имеет несколько большую хрупкость и более высокую абразивную способность.

Химически чистый карбид кремния бесцветен  и прозрачен, а абразивный окрашен  от светло-зеленого до черного цвета  в зависимости от состава и  содержания примесей. Наиболее вредной  примесью является углерод, который  понижает абразивную способность карбида  кремния и его адгезию со связкой.

Плотность карбида кремния 3,15-3,25 г/см³, микротвердость 32,4-35,3 ГПа (3300-3600 кгс/мм²), твердость по Моосу 9,1, механическая прочность-11,0-14,7Н (1120-1500г), разрушаемость (для материалов зернистостью 25) не более 47%.

          По химическому  составу и физическим свойствам  зеленый и черный карбиды кремния  отличаются незначительно, однако  зеленый карбид кремния содержит  меньше примесей, а черный имеет  большую абразивную способность.

         Из карбида  кремния получают шлифзерно, шлифпорошки и микрошлифпорошки марок 64С и 63С, шлифзерно и шлифпорошки марок 54С и 53С, которые применяют для изготовления шлифовальных кругов, шлифовальной шкурки, а также паст. Для производства многих видов шлифовальной шкурки черный карбид кремния предпочитают зеленому.

  Шлифкруги из зеленого карбида кремния используют для доводки металлообрабатывающего инструмента, твердых сплавов, керамики, камня и для правки шлифовальных кругов из других абразивных материалов. Шлифкруги из черного карбида кремния применяют для шлифования твердых сплавов, чугуна, цветных металлов, стекла, пластмасс, кожи, резины. Пастами из карбида кремния производят многие доводочные работы. Шлифовальные материалы из карбида кремния используют в электротехнической, металлургической и огнеупорной отраслях промышленности. Их добавляют также в аэродромные покрытия, лестничные ступени, плитки и другие изделия.

 

 

 

           

 

 

 

 

 

 

 

 

СВОЙСТВА КАРБИДА КРЕМНИЯ

Отличительной особенностью монокристаллов карбида кремния является существование  большого числа политипных модификаций, которые представляют собой суперпозицию структур типа сфалерита и вюрцита. Благодаря политипизму карбид кремния фактически представляет собой набор полупроводниковых материалов с различными физико-химическими свойствами. Различия в порядке расположения слоев в политипах карбида кремния определяют различия не только в общей симметрии структуры и параметров элементарных ячеек, но и различия в периодах решетки и межслойного расстояния для разных политипов. Изменение размеров элементарной ячейки политипов приводит к изменению ширины запрещенной зоны в карбиде кремния от 2,39 для 3С -SiC до 3,33 для 2Н-SiС.

Полярность направления [0001] для  карбида кремния проявляется  в различии физических, химических и других свойств для граней противоположных  направлений ( различные скорости роста граней, различные скорости травления , различие в поглощении примесей).

Основными акцепторными примесями  в карбиде кремния являются алюминий и бор , основной донорной примесью- азот. Энергия активации примесей не зависит от политипа и составляет : Аl -0,28 эВ , В- 0,39 эВ, N-0,1 эВ.

 

 

 

 

 

ПРИМЕНЕНИЯ

Из карбида кремния получают шлифзерно, шлиф - и микропорошки, которые применяются для изготовления абразивного инструмента на твердой и гибкой основах, а также паст. Для производства многих видов шлифовальной шкурки карбид кремния черный предпочитают зеленому.

Абразивный инструмент из зеленого карбида кремния используется для  тонкого шлифования металлообрабатывающего инструмента, твердых сплавов, керамики, камня и для правки шлифовальных кругов. Инструмент из черного карбида  кремния применяется для шлифования твердых сплавов, чугуна, цветных  металлов, стекла, пластмасс, кожи, резины. Пасты из карбида кремния применяются  для доводочных работ. Отдельные  разновидности карбида кремния  используются в электротехнической, металлургической и огнеупорной  промышленности. В зерне и порошках карбид кремния применяется в  промышленности стройматериалов для  изготовления аэродромных покрытий, нескользких плиток, лестничных ступеней и других изделий.

Карбид кремния используется как  полупроводниковый материал для изготовление выпрямительных полупроводниковых диодов, сферодиодов (индикаторы с зелёно - синим свечением), как жаростойкий и химически стойкий материал для защитных покрытий, высокотемпературных нагревательных и других.

 

 

 

 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАРБИДА КРЕМНИЯ

Молекулярный вес 40,09

Содержание углерода в весе 29,05

Плотность, г/см(кубический) 3,2

Температура плавления в градусах Цельсии 2600

Теплоёмкость при 20градусах Цельсии  в кал/моль 12,13при 1000 градусах Цельсии

Теплопроводность в кал/см при 20 градусах Цельсии 0,098

Термический коэффициент +0,264

Электросопротивление в градус (900-1500градусов Цельсии)

в степени -1 умноженное на 10 в 6степени

Коэффициент термического линейного 5,77 (1000 градус Цельсии)

расширение а*10в 6 степени * на градус

в -1степени (20-t*на градус Цельсии)

 

 

 

 

 

                

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

            Целью моей работы было то, чтобы изучить, в чем заключаются  свойства абразивных материалов  и инструментов, выделив отдельный материал искусственный карбид кремния, я поняла, что эти материалы удобны и очень практичны и потребны в настоящее время. Моя задача состояла в определении и изучении абразивных материалов и карбида кремния. С помощью справочной литературы, я узнала, что абразивные материалы – это зернистые порошковые вещества, по-другому химические соединения элементов, это материалы, которые обладают высокой твёрдостью, но в то же время и своей хрупкостью. Абразивные материалы используют в основном для окончательной обработки деталей машин, когда к ним предъявляют повышенные требования по точности и шероховатости.

Карбид кремния является популярным абразивом из-за его прочности и низкой стоимости. В обрабатывающей промышленности из-за его высокой твердости он используется в абразивной обработке в таких процессах как шлифование, хонингование, водоструйная резка и пескоструйная обработка. Частицы карбида кремния ламинируются на бумагу для создания шлифовальной шкурки

Карбид  кремния используется для производства графена с помощью графитизации при высоких температурах. Это производство рассматривается как один из перспективных методов синтеза графена в больших масштабах для практических применений.

 

                               

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Научно- технический журнал «Вопросы материаловедения».

      2. «Материаловедение». Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Машиностроение. – 1972, 510 с.

     3. Технология конструкционных материалов: А. Д. Дальский, В. С. Гаврилюк, Л. Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А. Д. Дальского.

М.: Машиностроение, 1990.-352с.: ил.

4. Кремень З. И., Юрьев В. Г., Бабошкин А. Ф. Технология шлифования в машиностроении.

5. Техническая энциклопедия. / Гл. ред. Мартенс Л. К. — Москва

6. Технология конструкционных материалов: А. Д. Дальский, Т. М. Барсукова, Л. Н. Бухаркин и др.; Под общей ред. А. М. Дальского.

М.: машиностроение, 2003.-512с.: ил.