צורן קרביד

צורן קרביד

שם סיסטמטי	Silicon carbide
שמות נוספים	קרבורונדום, Carborundum, מואסניט
מסה מולרית	40.01 גרם/מול
מראה	גביש חסר צבע
מספר CAS	409-21-2
צפיפות	3.21 גרם/סמ"ק
מצב צבירה	מוצק
טמפרטורת היתוך	2,730 °C 3003.15 K
מקדם שבירה	2.55

צורן קרביד הוא תרכובת כימית הבנויה מפחמן וצורן. הנוסחה הכימית SiC, כלומר מספר שווה של אטומי פחמן וצורן יוצרים את הסריג האטומרי. בטבע נמצאת התרכובת במינרל הנדיר מואסניט.

ייצור רחב היקף של צורן קרביד לשימוש כחומר שחיקה החל בשנת 1893. קושרים גרגרי צורן קרביד באמצעות סינטור לקבלת חומרים קרמיים קשים מאד הנדרשים ליישומים הדורשים עמידות גבוהה כדוגמת בלמי רכב ואפודי מגן. כמוליך למחצה משתמשים בחומר ביישומים אלקטרונים למתח גבוה וטמפרטורה גבוהה. ניתן לגדל גבישים גדולים של צורן קרביד לשימוש כאבן חן (מואסניט מלאכותי).

החומר הטהור חסר צבע, זיהום בברזל בתהליך הייצור מקנה לחומר צבע חום עד שחור, על גבישים של צורן קרביד נוצרת שכבת סיליקה המקנה ברק (פיזור של "קשת בענן"). טמפרטורת ההמראה הגבוהה של החומר (כ-2,700°C) מאפשרת שימוש בו למסבים ולכבשנים, החומר אינו ניתך בכל לחץ שהוא והוא אדיש מבחינה כימית.

היסטוריה

גביש צורן קרביד טבעי (מואסאניט) (הגדלה X14: גודל הגביש כמילימטר אחד)

ייצור החומר החל ב-1890 על ידי הכימאי האמריקני אדוארד גודריץ' אצ'סון (Edward Goodrich Acheson) שרשם פטנט על התהליך בשנת 1893. אצ'סון ניסה לייצר יהלומים מלאכותיים על ידי חימום אבקת פחם עם חרסית (אלומיניום-סיליקט) בכלי ברזל. הוא כינה את הגבישים הכחולים שהתקבלו קרבורונדום (Carborundum) מתוך מחשבה שמדובר בתרכובת פחמן ואלומיניום כלומר חומר הדומה לקורונדום. אצ'סון גם פיתח תנור לייצור מנתי של החומר בתהליך בו משתמשים גם כיום.

ב-1893 גילה אנרי מואסאן את המינרל הנדיר מואסניט במטאוריט מאריזונה והמינרל נקרא על שמו. מואסאן גם סינתז SiC בכמה דרכים כולל המסת פחמן בצורן מותך, התכת תערובת של סידן קרביד וסיליקה וחיזור סיליקה מותכת בעזרת פחמן.

סיליקון קרביד טבעי

כל הצורן קרביד הנמכר בעולם מקורו מלאכותי, מואסניט טבעי מצוי בכמויות מזעריות במטאוריטים ובמרבצי קורונדום וקימברליט. בעוד החומר נדיר מאד בכדור הארץ הוא נפוץ בחלל: הוא מפוזר כאבק מסביב לכוכבים עתירי פחמן ונמצא במטאוריטים.

ייצור

שיטת הייצור המקובלת קרויה על שם ממציאה תהליך אצ'סון (Acheson process): חימום צורן ופחמן בתנור התנגדות חשמלי המבוסס על גרפיט לטמפרטורות שבין 1,600°C ל 2,500°C. זרם חשמלי מועבר דרך גרפיט המוקף חול, מלח (שניתן להוסיף לחול כדי לשפר את ניקיון התוצר) ופחם, הזרם החשמלי מחמם את הגרפיט והתערובת סביבה כך שמתאפשרות 4 התגובות הבאות ושכבה של צורן קרביד מצפה את הגרפיט:

1. $C+SiO_{2}\Rightarrow SiO+CO$
2. $SiO_{2}+CO\Rightarrow SiO+CO_{2}$
3. $C+CO_{2}\Rightarrow 2CO$
4. $2C+SiO\Rightarrow SiC+CO$

כבשן לייצור צורן קרביד

בשיטה שונה ניתן להפוך מיקרו-סיליקה - תוצר לוואי של ייצור צורן לצורן קרביד על ידי חימום עם גרפיט ל 1,500°C

שימושים

ליטוש וחיתוך

בשל עמידותו ומחירו הנמוך צורן קרביד משמש לליטוש יהלומים וכן לליטוש תעשייתי, לחיתוך והחלקה. חלקיקי צורן קרביד מודבקים על נייר לייצור נייר זכוכית וכן סרטי חיכוך להדבקה על סקייטבורד. חומר מורכב עשוי צורן קרביד ואלומינה שפותח בשנות ה-80 משמש לייצור כלי חיתוך.

דיסק חיתוך עשוי צורן קרביד

שריון

משתמשים בחומרים קרמיים מבוססי צורן קרביד (כמו גם אלומינה ובורון ניטריד) לייצור אפודי מגן.

תנורים

בשל העמידות הגבוהה בחום משתמשים בצורן קרביד לייצור מדפים בתנורים לשריפת קרמיקה.

במערכות חשמל

השימוש החשמלי הראשון של צורן קרביד היה בעוצרי ברקים (lightning arresters), התקנים אלו צריכים להיות בעלי התנגדות חשמלית גבוהה עד לסף מתח חשמלי שמעבר לו ההתנגדות צריכה לרדת ולהישאר ברמה זו עד שהמתח יורד. לצורן קרביד יש התנגדות תלוית מתח כזו ועמודים של SiC דחוס שימשו חיבור בין קווי מתח גבוה לאדמה. כשפגע ברק בקו המתח והמתח עלה רגעית ירדה התנגדות הצורן קרביד והזרם עבר לאדמה. עוצרי הברקים מצורן קרביד הוחלפו במערכות אחרות כיוון שהמוליכות שלהם במתחי הרשת הייתה גבוהה מדי.

גופי חימום

גופי חימום עשויים צורן קרביד קיימים כבר מתחילת המאה ה-20 ומשתמשים בהם בתנורים לייצור זכוכית, לטיפול תרמי במתכות, ייצור חומרים קרמים ועוד.

אבן חן

כאבן יקרה לתכשיטים צורן קרביד נקרא "מואסניט מלאכותית" או רק "מואסניט". המואסניט דומה ליהלום בכמה מאפיינים: הוא שקוף וקשה (9-9.5 בסולם מוס לעומת 10 ביהלום) ומקדם שבירה של 2.65 - 2.69 לעומת 2.42 ביהלום. המואסניט קל יותר מיהלום (3.21 גרם לסמ"ק לעומת 3.53 גרם לסמ"ק ביהלום) ועמיד יותר לחום. בניגוד ליהלום לצורן קרביד יש שבירה כפולה וניתן להבחין בפלואורסצנציה ירוקה או צהובה כאשר החומר מוקרן באור אולטרה סגול.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא צורן קרביד בוויקישיתוף