Piikarbidi (Moissaniitti / Karborundumi): Muodostuminen, Geologia ja Lajitukset
Linas JuozenasJaa
Muodostuminen, geologia ja materiaalilajikkeet
Piikarbid: tähtipölystä suunniteltuun kidekasvuun
Täydellinen muodostumisprofiili piikarbidille, yhdisteelle, joka on luonnollisen moissaniten, uunissa kasvatetun karborundumin, jalokivimoissaniten ja suorituskykyisten SiC-levyjen takana. Sen tarina alkaa hiilipitoisissa tähdissä, esiintyy maassa harvoin ja lisääntyy vain, kun teollisuus luo äärimmäiset pelkistävät olosuhteet tarkasti.
- SiC
- Moissanite luonnossa
- Karborundumi uunikasvatusmenetelmällä
- Polytyyppiset kiderakenteet
- Meteoriitti- ja esitähtijyvät
Piikarbid on piin ja hiilen yhdiste. Luonnollisena mineraalina sitä kutsutaan moissaniteksi, mutta luonnonkiteet, jotka ovat tarpeeksi suuria koruihin tai näyttelyyn, ovat poikkeuksellisen harvinaisia. Suurin osa nykyään näkyvästä SiC-materiaalista on synteettistä: sähköuunissa kasvatettua hiontakarborundumia, jalokiviksi kasvatettua yksikiteistä moissanitea tai elektroniikkaan tuotettua korkeapuhdasta SiC:tä. Tämä ero on keskeinen tarkassa keskustelussa sen geologiasta ja lajikkeista.
Mitä piikarbid on
Piikarbid, SiC, on vahvasti sidottu kiteinen yhdiste, jonka fyysinen kestävyys perustuu piin ja hiilen kovalenttiseen verkostoon.
Sen luonnollinen mineraalinimi on moissanite. Historiallinen teollisuudessa käytetty nimi karborundumi viittaa synteettiseen SiC:hen, erityisesti uunissa kasvatettuun hionta-aineeseen. Nämä kaksi nimeä esiintyvät usein yhdessä, mutta ne kuvaavat eri yhteyksiä: moissanite on mineraalilaji, kun taas karborundumi on valmistus- ja kauppaperintö.
SiC on kova, kuumuutta kestävä, lämpöä hyvin sietävä ja sähköisesti merkittävä aine. Sitä käytetään hionta-aineissa, korkealämpötilakeramiikassa, tehoelektroniikassa, puolijohdelevyissä ja laboratoriossa kasvatetuissa jalokivissä. Nämä nykyaikaiset käyttötavat eivät saa peittää mineraalitieteellistä tosiasiaa, että luonnollinen moissanite on harvinainen ja yleensä hyvin pieni.
Tärkeä ero: sateenkaaren värinen, piikikäs, helmiäishohtoinen SiC-klusteri on lähes aina uunissa kasvatettua karborundumia. Luonnollinen moissanite on aitoa, mutta useimmat maapallon esiintymät ovat mikroskooppisia jyviä tai pieniä kiteitä erikoistuneissa ympäristöissä.
Tähtien ja meteoriittien alkuperä
Piikarbidit ovat yksi harvoista jalokiviin liittyvistä materiaaleista, joiden kaikkein muinaisin tarina alkaa maapallon ulkopuolelta.
Hiilipitoisissa tähtien ulosvirtauksissa, erityisesti kun hiilen ja hapen suhde on suurempi kuin yksi, hiili on saatavilla sen jälkeen, kun happi on sitoutunut muihin yhdisteisiin. Jäähdytysolosuhteissa pii ja hiili voivat kiteytyä pieniksi SiC-jyviksi. Nämä jyvät voivat päästä tähtienvälisiin pölypilviin, integroitua primitiivisiin meteoriitteihin ja säilyä esitähtijyvinä, joiden isotooppipiirteet ovat vanhempia kuin aurinkokunta.
Moissaniittia on myös tunnistettu tietyissä meteoriittimateriaaleissa. Nämä esiintymät ovat kosmokemian kannalta tärkeitä, koska niiden isotooppikuvio säilyttää tietoa tähtien ydinreaktioista. Käsin näytteenä avaruudesta peräisin oleva SiC ei kuitenkaan yleensä ole koristeellisen karborundumin kaltaista kimaltelevaa materiaalia; se on yleensä mikroskooppista ja tieteellisesti tutkittua, ei visuaalisesti esillä olevaa.
Hiilipitoinen kaasu
SiC kiteytyy helpoimmin, kun hiiltä on saatavilla hapen kulutettua ensin stabiilimmat happiyhdisteet.
Esitähtijyvät
Primitiiviset meteoriitit voivat säilyttää pieniä piikarbidin jyviä, joiden isotooppikoostumus viittaa tähtiperäisyyteen.
Meteoriittimoissaniitti
Luonnollinen SiC meteoriittimateriaalissa on tieteellisesti merkittävää, mutta yleensä liian pientä tai kasautunutta muistuttamaan kaupallisia kiteitä.
Maapallon muodostuminen: Miksi luonnollinen moissaniitti on harvinainen
Maan kuori ja vaippa ovat yleensä liian happipitoisia, jotta piikarbidista voisi muodostua yleinen stabiili mineraali. Pii sitoutuu yleensä happeen muodostaen silikaatteja tai piidioksidia, ja hiili esiintyy tavallisesti karbonaattina, grafiittina, timanttina, orgaanisena aineena tai nestemäisinä lajeina, ei vapaana hiilenä, joka voisi muodostaa SiC:tä.
SiC:n muodostumiseksi maapallolla ympäristön on oltava voimakkaasti pelkistävä, kuuma ja paikallisesti epätavallinen. Raportoidut ympäristöt sisältävät vaippaperäisiä tai ultramafisia kiviä, metasomaattisia mikroympäristöjä sekä törmäys- tai shokkikonteksteja. Vaikka SiC muodostuisi, se voi olla hyvin pientä, epävakaata myöhemmän hapettumisen aikana tai säilyä vain pieninä inkluusioina.
Ultramafiset ja vaippaperäiset kivet
Harvinainen mikrokiteinen moissaniitti voi esiintyä ympäristöissä, joissa happifugaalisuus on alhainen ja hiilen aktiivisuus korkea. Nämä ovat erikoistuneita geokemiallisia lokeroita, eivät tavallisia jalokiviesiintymiä.
Metasomaattiset reaktioalueet
Hiilipitoiset nesteet tai kaasut, jotka reagoivat piitä sisältävien mineraalien kanssa, voivat luoda lyhytikäisiä, voimakkaasti pelkistäviä mikrosijainteja, joissa SiC voi kiteytyä.
Isku- ja shokkialueet
Äärimmäiset lämpötilat, lyhyet painepulssit ja paikalliset pelkistävät olosuhteet voivat suosia epätavallista karbidin muodostumista, vaikka näytteet ovat tyypillisesti pieniä.
Käsitteelliset reaktiot, joita käytetään kuvaamaan SiC:n muodostumista korkealämpötilaisissa pelkistävissä olosuhteissa:
SiO2 + 3C → SiC + 2CO SiO(g) + 2C → SiC + CO Si(l) + C(s) → SiC(s)Nämä yhtälöt ovat yksinkertaistettuja. Luonnolliset järjestelmät sisältävät nesteen kemiaa, happifugaatiota, lämpötilagradientteja, katalyyttejä, epäpuhtauksia ja myöhempää muutosta.
Laboratoriokasvu ja teollinen synteesi
Ihmisen valmistus tekee piikarbidista runsaan jäljittelemällä korkealämpötilaisia, pelkistäviä olosuhteita, joita Maa harvoin luonnostaan säilyttää.
Achesonin prosessi
Piihiekka ja hiili kuumennetaan sähkövastusuunissa, tyypillisesti yli 2000 °C:ssa, muodostaen massiivisia SiC-lohkoja, jotka voidaan murskata hionta-aineiksi tai leikata koristelevyiksi.
PVT- ja Lely-tyyppinen kasvu
Korkeapuhdas SiC-jauhe sublimoituu ja kondensoituu siemenkideelle erittäin korkeassa lämpötilassa, jolloin kasvattajat voivat hallita kiteen orientaatiota ja valita polytyyppejä kuten 4H tai 6H.
CVD ja epitaksia
Kaasuvaiheinen kerrostus tuottaa hallittuja SiC-kerroksia valmistetuille wafer-paloille. Typpeä, alumiinia tai booria voidaan lisätä puolijohdeominaisuuksien säätämiseksi.
Uunissa kasvatetun karborundumin tuttu iridesenssi johtuu pääasiassa ohuista pintakerroksen oksidikalvoista ja interferenssiväreistä, ei pelkästään SiC:n luonnollisesta väristä. Korukivi moissanite kasvatetaan yleensä korkealaatuisena yksikiteenä ja leikataan jalokiveksi; puolijohde-SiC kasvatetaan ja käsitellään wafer-muodossa teholaitteita ja korkealämpötilaisia elektroniikkasovelluksia varten.
Polytyypit ja kiderakenne
Piikarbidilla on polytyyppinen rakenne: kemiallinen koostumus pysyy SiC:nä, mutta piikarbonkerrosten pinoutumisjärjestys muuttuu. Nämä pinoutumiserot tuottavat erilaisia kiderakenteita ja vaikuttavat optisiin, sähköisiin ja lämpöominaisuuksiin.
| Polytyyppi | Rakenne | Yleinen konteksti | Käytännön merkitys |
|---|---|---|---|
| 3C-SiC | Kuutiollinen, usein kutsuttu beta-SiC:ksi | Alhaisemman lämpötilan synteesi, kalvot, inkluusiot, osa epitaksiaalisesta työstä. | Hyödyllinen materiaalitieteessä; voi esiintyä hienorakeisena tai kalvona tyypillisen korukiven raaka-aineen sijaan. |
| 4H-SiC | Kuusikulmainen | Korkean suorituskyvyn tehoelektroniikka ja wafer-kasvu. | Arvostettu elektronisten ominaisuuksien, korkean purkauskentän ja wafer-sovellusten vuoksi. |
| 6H-SiC | Kuusikulmainen | Korukivi moissanite ja joitakin wafer-konteksteja. | Tunnettu voimakkaasta optisesta tulesta leikatuissa kivissä; historiallisesti tärkeä jalokivien kasvussa. |
| 15R-SiC ja siihen liittyvät muodot | Rombiset ja muut pinoutumisvariantit | Erikoistuneet synteettiset tai tutkimuskontekstit. | Havainnollistaa SiC:n rakenteellista monimuotoisuutta, vaikka sitä tavataan harvemmin tavallisissa näytteissä. |
Polytyyppiset erot ovat usein paljaalle silmälle hienovaraisia, mutta tärkeitä elektroniikassa, jalokivien optiikassa ja kideidentifikaatiossa. Sama kemia voi käyttäytyä eri tavalla, kun atomikerrokset pinoutuvat eri rytmissä.
Lajit, kauppamuodot ja tutkimusmateriaali
Muodot, joihin ihmiset törmäävät, määräytyvät muodostumisreitistä. Luonnollinen esitähtimäinen rake, uunissa kasvatettu iridesoiva klusteri, fasetoitu moissanite ja puolijohdeviipale ovat kaikki SiC:tä, mutta ne edustavat hyvin erilaisia taustoja.
| Muoto | Miten se muodostuu | Ulkonäkö | Parhaiten kuvattuna |
|---|---|---|---|
| Esitähtimäiset SiC-rakeet | Tiivistynyt hiilipitoisissa tähtien ympäristöissä ja säilynyt alkuperäisissä meteoriiteissa. | Mikroskooppiset rakeet, joita tutkitaan isotooppianalyysillä. | Luonnollinen maapallon ulkopuolinen piikarbid. |
| Maallinen moissanite | Muodostuu harvoin erittäin pelkistävissä maallisissa mikroympäristöissä. | Pienet rakeet tai pienet kiteet, usein suljetut tai kasvaen yhdessä. | Luonnollinen mineraalimoissanite. |
| Sateenkaaren karborundumi | Achesonin prosessiuunissa kasvatettu, sitten rikottu tai viipaloitu suuremmista paloista. | Iridesoivat siniset, violetit, kultaiset, vihreät ja vaaleanpunaiset kalvot tummien SiC-kiteiden päällä. | Synteettinen uunissa kasvatettu piikarbid. |
| Korukivi moissanite | Korkeapuhdas yksikiteen kasvu PVT- tai vastaavilla menetelmillä, sitten fasetoitu. | Väriltään väritön tai erivärinen fasetoitu jalokivi, jolla on korkea hajonta. | Laboratoriossa kasvatettu moissanite-korukivi. |
| SiC-viipaleet | Ohjattu yksikiteen kasvu, viipalointi, kiillotus, dopaus ja epitaksia. | Ohuet, suunnitellut viipaleet, usein harmaita, vihertäviä tai valituille aallonpituuksille läpinäkyviä paksuudesta ja käsittelystä riippuen. | Tekninen puolijohdemateriaali. |
| Hiontarakeet | Murskattu ja luokiteltu uunissa kasvatettu SiC. | Kulmikkaat, erittäin kovat mustat tai vihreät rakeet. | Teollinen hionta- tai tulenkestävä materiaali. |
Tunnistus ja samankaltaiset
Piikarbidin tunnistaa parhaiten kontekstin, kovuuden, kiillon, murtuman, tiheyden ja optisen käyttäytymisen yhdistelmästä. Pelkkä visuaalinen tarkastus voi johtaa harhaan, erityisesti koska uunissa kasvatettua SiC:tä saatetaan myydä metallisten mineraalien, lasisen kuona-aineksen tai polykristallisen piin läheisyydessä.
Kovuus
SiC on erittäin kova, noin Mohsin kovuusasteikolla 9–9,5. Tämä erottaa sen alkuainepiistä, kvartsista, lasista, monista malmeista ja useimmista koristeellisista teollisista kappaleista.
Kiilto ja halkeilu
Tuoreet pinnat voivat näyttää puolimetallisilta tai adamantiinisilta. Rikkinäiset synteettiset klusterit voivat olla teräviä, kulmikkaita ja tummia helmiäispintojen alla.
Tiheys
SiC:n tiheys on noin 3,2 g/cm³, painavampi kuin kvartsilla ja alkuainepiillä, mutta paljon kevyempi kuin galena tai muut tiheät metalliset malmit.
Helmiäispinta
Sateenkaaren karborundumin voimakkaat öljymäiset värit viittaavat yleensä synteettiseen uunimateriaaliin, jossa on ohuita oksidikalvoja, eivätkä luonnolliseen moissaniteen.
| Materiaali | Miksi se voi sekoittua | Hyödyllinen eroavaisuus |
|---|---|---|
| Polykristallinen pii | Hopeanharmaa, kiteinen, teollisen näköinen ja hauras. | Piitä on pehmeämpää, pienempitiheyksistä ja vähemmän helmiäispintaista; SiC on paljon kovempaa ja usein tummempaa tai enemmän adamantiinista. |
| Hematite | Metallinhohtoinen harmaasta mustaan. | Hematite on tiheämpää ja antaa punertavan juovan; SiC on kevyempää ja paljon kovempaa. |
| Galena | Kirkkaat metalliset pinnat. | Galena on hyvin tiheää ja sillä on kuutiomainen lohkeavuus; SiC on kovempaa, kevyempää eikä sillä ole galenan lyijynharmaata pehmeyttä. |
| Lasi tai kuona | Voi näyttää kiiltävää halkeilua, kuplia tai helmiäispintaa. | Lasi on paljon pehmeämpää ja usein siinä näkyy virtauskuvioita tai kuplia; SiC:llä on kiteinen, hankaava kovuus. |
| Timantinkorvikkeet | Fasetoitu moissanite voi visuaalisesti muistuttaa timanttia. | Moissanitella on suurempi disperisointi ja erilainen optinen/sähköinen vaste; oikea jalokivien testaus erottaa ne toisistaan. |
Hoito, käsittely ja materiaalin herkkyys
Piikarbid on kemiallisesti ja lämpötilan kestävä, mutta eri muodot vaativat erilaista käsittelyä. Fasetoitu moissanite on poikkeuksellisen käytännöllinen jalokivi; sahalaitaiset uunissa kasvatetut karborundumiklusterit ovat kovia mutta teräviä ja voivat irrottaa pieniä jyviä; viipaleet ja ohuet tekniset kappaleet voivat haljeta taivutettaessa.
Uunissa kasvatetut klusterit
Käsittele vakaista pohjista, älä haurailta kohdilta. Helmiäispintaiset kalvot voivat kulua, joten vältä kovaa hankausta ja löysää säilytystä kovempia materiaaleja vasten.
Korukivi moissanite
Puhdista miedolla saippualla, lämpimällä vedellä ja pehmeällä harjalla. Se kestää naarmuuntumista erittäin hyvin, vaikka asetukset ja muut kivet saattavat vaatia hellävaraisempaa hoitoa.
Tekniset viipaleet
Säilytä tasaisena ja suojattuna taivutusrasitukselta. Ohuet viipaleet voivat lohjeta reunoilta huolimatta materiaalin kovuudesta.
Pöly ja leikkaus
Älä jauha, poraa, sahaa tai hierrä SiC:tä ilman asianmukaisia teknisiä valvontoja. Valmis materiaali on stabiili; hallitsemattomat pöly ja terävät sirpaleet ovat huolenaiheita.
Usein kysytyt kysymykset
Onko sateenkaaren karborundumi luonnollista?
Ei. Vividit irisoivat karborundumiklusterit ovat uunissa kasvatettua piikarbidia. Niiden sateenkaaren värit johtuvat yleensä ohuista pinnan oksidikalvoista ja optisesta interferenssistä. Luonnollista moissaniittia esiintyy, mutta se on yleensä mikroskooppista tai hyvin pientä maallisissa kivissä.
Missä luonnollista moissaniittia esiintyy?
Luonnollinen moissaniitti tunnetaan parhaiten meteoriittimateriaalista ja presolaareista jyvistä, ja sitä on raportoitu myös harvinaisissa voimakkaasti pelkistävissä maallisissa ympäristöissä kuten vaippakivistä, ultramafisista konteksteista, metasomaattisista vyöhykkeistä ja törmäysperäisistä ympäristöistä.
Mikä on ero moissaniitin ja karborundumin välillä?
Moissaniitti on piikarbidin mineraalinimi. Karborundum on historiallinen nimi, joka liittyy synteettiseen SiC:hen, erityisesti teollisuuden uunissa kasvatettuun hiontamateriaaliin. Fasetoitu korumoissaniitti on laboratoriossa kasvatettua, mutta on silti piikarbidia.
Miksi SiC:llä on niin monta polytyyppiä?
Piikarbidin hiili-piikerrokset voivat pinoutua monin toistuviin sekvensseihin samalla kemiallisella kaavalla. Nämä pinoutumisvaihtelut luovat erilaisia polytyyppejä kuten 3C, 4H ja 6H, joilla on omat kiteelliset ja tekniset ominaisuutensa.
Mitä polytyyppiä käytetään koruissa?
Korukivinä moissaniitti liittyy yleisesti heksagonisiin SiC-polytyyppeihin, erityisesti 6H:hon monissa koruyhteyksissä. Elektronisissa levyissä korostetaan usein 4H-SiC:tä sen teholaitteiden suorituskyvyn vuoksi.
Miksi SiC on tärkeä elektroniikassa?
Piikarbidilla on laaja kapeakaista, korkea lämpötilastabiilisuus, korkea murtolujuus ja vahva lämmönjohtavuus. Nämä ominaisuudet tekevät siitä arvokkaan tehoelektroniikassa, sähköajoneuvoissa, korkealämpötilalaitteissa ja sähköverkkoteknologioissa.
Miten uunissa kasvatettua SiC:tä voidaan kuvata tarkasti?
Käytä suoraa materiaalikieltä: synteettinen piikarbid, Achesonin uunissa kasvatettu karborundum tai uunissa kasvatettu SiC. Jos sillä on sateenkaaren värejä, kuvaile niitä irisoivina oksidikalvon väreinä, ei luonnollisen alkuperän todisteina.