Камень карборунд получил широкое применение во всех отраслях жизни человека. Его используют при строительстве, изготовлении автомобилей и электроники. Это связано с высокой прочностью и устойчивостью минерала. В ювелирном деле его используют из-за способности максимального преломления света, за счет чего создаются узоры. Кристалл имеет также магические и целебные свойства, положительно воздействуя на энергетику владельца.
Свойства камня зависят от его цвета и наибольшее положительное влияние оказывает минерал синего цвета.
Что представляет собой Карборунд
Карборунд – это коммерческое и техническое название синтетического соединения, свойства и состав которого аналогичны натуральному камню муассаниту. То есть по сути это синтетический муассанит.
Это плотный материал разной степени прозрачности, результат сплавления песка с углем.
Внешне выглядит как антрацит, в основном черной гаммы. Есть экземпляры зеленого, голубого, фиолетового, синего цвета.
На свету камень переливается подобно радуге, создавая на поверхности причудливые узоры.
Современность
В конце XX был изготовлен первый кристалл карборунда, до этого он был известен только в виде порошка. Как только появилась возможность синтезировать кристалл — его синтезировали. Результат оказался поразительным. По многим показателям карборунд превосходил алмаз.
- степень светопреломления на четверть выше;
- дисперсия — в два с половиной.
То есть он лучше блестит и даёт больше радужных бликов. Казалось бы — вот она, удача. Его действительно признали лучшей имитацией алмаза. Но в массовым он так и не стал. Делать ювелирные изделия с карборудном с точки зрения коммерции бессмысленно.
Производство украшений из камня слишком сложное и затратное дело. Крупный образец будет стоить порядка 500 долларов за карат. Сомнительно, что найдутся любители покупать искусственные камни за такие деньги. Даже если они высокотехнологичные и сверхблестящие. Сейчас кристаллы карбида кремния делает только одна американская компания, а в продаже он встречается реже, чем бриллиант.
Теоретически камень должен быть красивым: блестящий, сияющий, с радужной игрой света на гранях.
Но ценители камня его не очень ценят. На то есть несколько причин:
- яркие переливы света непривычны глазу и скорее раздражают, создают впечатление безвкусности и кичливости;
- прозрачных и чистых по цвету камней нет. Все они имеют пыльный зеленоватый оттенок. Химики пока с этим ничего поделать не могут;
- лучики света, которые отбрасывает бриллиант плотные, яркие, с насыщенными оттенка. Карборунд даёт более прозрачные и тёмные отблески.
Как видим, искусственному муассаниту не удалось превзойти алмаз и вытеснить его с ювелирных прилавков.
Непрозрачные недорогие образцы предприимчивые итальянцы продают как куски лавы Везувия.
Однако у карборунда есть ряд преимуществ:
- он не оставляет на себе жировых отпечатков. Если долго щупать бриллиант, он покроется жировой плёнкой и блестеть перестанет. Карборунд к этому невосприимчив. сколько его не трогай — он продолжит блестеть;
- поскольку карборунд выращен искусственно, он лишён дефектов. Его ограняют в идеальные, математически точно выверенные кристаллы. К тому же на материале можно не экономить. С бриллиантами это не всегда проходит. Иногда хочет сохранить вес камня и умышленно нарушает пропорции, иногда обходит дефекты. Браком это не считаются. Такие бриллианты хоть и стоят ниже, но на рынок поступают;
- в экстремальных температурах (около 1000 градусов Цельсия) алмаз горит, а карборунд нет. Вы можете кинуть платиновое кольцо в угольную печь и оно не пострадает.
Кроме этого он прочный, лишь незначительно уступает алмазу. К тому же он инертный — не вступает в реакцию с другими веществами (кроме плавиковой, азотной и ортофосфорной кислот), отличается высокой теплопроводностью, плотностью электрического тока и электрическим напряжением, имеет малый коэффициент теплового расширения и не имеет фазовых переходов, разрушающих кристалл.
Сейчас карборунд производят методом термического разложения полиметилсилана при низких температурах в присутствии инертного газа. Полученный материал применяется во многих сферах жизни.
Применяется в качестве:
- абразив для шлифования и напыление для пил;
- сырьё для режущих инструментов;
- полупроводник в электротехнической промышленности;
- катализатор в химической промышленности;
- подшипники и элементы оборудования в плавильных печах, поскольку он выдерживает нагрузку до 1700 градусов Цельсия;
- сырьё для производства бронежилетов;
- основа для сверхмощных светодиодов;
- сырьё для изготовления высококачественных дисковых тормозов;
- сырьё для создания зеркальных деталей в оптических системах.
Это далеко не всё. Камень используется в ядерной энергетике, строительстве, органическом синтезе.
История
Способ получения данного соединения известен еще с середины 19 века, но запатентован только в 1893 году Эдвардом Ачесоном.
До 2020 года все права на производство принадлежали США. Сегодня главный поставщик карборунда фабричного происхождения на мировой рынок – Китай. Всего создано две с половиной сотни кристаллических модификаций разных цветов. Разработана технология для ювелирной промышленности: камни покрывают специальной пленкой, из-за чего даже тестеры не могут отличить кристалл от настоящего бриллианта.
Получение карбида кремния
Наибольшее количество природного происхождения карбида кремния содержится в космическом пространстве: на пылевых облаках, окружающих звезды, в метеоритах. На Земле этот материал присутствует только на месторождениях кимберлита или корунда, что усложняет процесс его добычи в промышленных масштабах. По этой причине карборунд, используемый в современной индустриальных сферах и бытовых условиях, является искусственным.
Самым распространенным способом получения этого химического соединения является нагревание двуокиси кремния углеродом в специализированных печах, работающих на электричестве. Вещество нагревается до температуры 1800-2300 °C.Источниками кремния являются кварцевый песок, очищенный от примесей, и антрацит. Для улучшения газопроницаемости материала используются опилки из древесины. Цвет синтетического карборунда изменяется при помощи добавления хлорида натрия (поваренной соли). Увеличение плотности материала производится при помощи прессования. После этих процессов структурные частицы меняют свое местоположения, что приводит к деформации твердого раствора.
Также данное вещество получают при помощи следующих методов:
- Сублимация. Это технология предоставляет выращивать зерна карбида кремния природных материалов. Рост кристаллов осуществляется в графитовых тиглях из газовой фазы. Получить карборунд при помощи этой технологии можно из инертных газов, нагретых до температуры 2600 °C.
- Эпитаксия. Этот способ используется для получения твердых растворов карбида кремния. В нем используется водород, предварительно очищенный от примесей при помощи диффузионных методов. Химический элемент вступает в реакцию со свободным углеродом, что приводит к образованию полупроводниковых пленок.
- Синтез. Сырьем для получения карборунда является графит, измельченный до порошкообразного состояния. Также для получения необходимого материала можно использовать сажу с размером частиц не более 20 мкм. Синтез химических веществ происходит в твердой фазе, что обусловлено большим расстоянием между атомами углерода и кремния.
- Приготовление шихты. Для этого метода требуются компоненты, содержащие большое количество углерода и кремния. В качестве сырья могут использоваться нанопорошки, углеводы или многоатомные спирты. Приготовление шихты осуществляется в деионизованной воде в течение 5,5 часов. Материал нагревается ступенчато до температуры 1650 °С.
Для промышленных нужд чаще всего изготавливают карбиды зеленого и черного цветов. Особенности их химического состава определены в ГОСТ 26327-84. В нем указаны 4 марки карбида кремния: 53С, 54С, 63С и 64С.
Физико-химические характеристики
По химической классификации карборунд – это карбид кремния с простой формулой.
Тверже него только алмаз. Карборунд плотен, тугоплавок, равнодушен к истиранию, кислотам, прочим агрессивным веществам.
Карбид кремния:
- Плотность 3,05 г/см³.
- Состав 93 % карбида кремния.
- Предел прочности на изгиб 320…350 МПа.
- Предел прочности на сжатие 2300 МПа.
- Модуль упругости 380 ГПа.
- Твердость 87…92 HRC.
- Трещиностойкость в пределах 3.5 — 4.5 МПа·м1/2.
- Коэффициент теплопроводности при 100 °C, 140—200 Вт/(м·К).
- Коэфф. теплового расширения при 20-1000 °C, 3,5…4,0 К−1⋅10−6.
- Вязкость разрушения 3,5 МПа·м1/2.
Самосвязанный карбид кремния:
- Плотность 3,1 г/см³.
- Состав 99 % карбида кремния.
- Предел прочности на изгиб 350—450 МПа.
- Предел прочности на сжатие 2500 МПа.
- Модуль упругости 390—420 ГПа.
- Твердость 90…95 HRC.
- Трещиностойкость в пределах 4 — 5 МПа·м1/2.
- Коэффициент теплопроводности при 100 °C, 80 — 130 Вт/(м·К).
- Коэфф. теплового расширения при 20-1000 °C, 2,8…4 К−1⋅10−6.
- Вязкость разрушения 5 МПа·м1/2.
ВК6ОМ:
- Плотность 14,8 г/см³.
- Состав Карбид вольфрама.
- Предел прочности на изгиб 1700…1900 МПа.
- Предел прочности на сжатие 3500 МПа.
- Модуль упругости 550 ГПа.
- Твердость 90 HRA.
- Трещиностойкость в пределах 8-25 МПа·м1/2.
- Коэффициент теплопроводности при 100 °C, 75…85 Вт/(м·К).
- Коэфф. теплового расширения при 20-1000 °C, 4,5 К−1⋅10−6.
- Вязкость разрушения 10…15 МПа·м1/2.
Силицированный графит СГ-Т:
- Плотность 2,6 г/см³.
- Состав 50 % карбида кремния.
- Предел прочности на изгиб 90…110 МПа.
- Предел прочности на сжатие 300…320 МПа.
- Модуль упругости 95 ГПа.
- Твердость 50…70 HRC.
- Трещиностойкость в пределах 2-3 МПа·м1/2.
- Коэффициент теплопроводности при 10 °C, 100…115 Вт/(м·К).
- Коэфф. теплового расширения при 20-1000 °C, 4,6 К−1⋅10−6.
- Вязкость разрушения 3…4 МПа·м1/2.
Однако лучи света камень преломляет сильнее алмаза, по этому параметру сопоставим с муассанитом.
Описание камня и его сходство с остальными кристаллами
Карборунд представляет собой карбид кремния, полученный в синтетических условиях. Он получается при сплавлении песка и угля. По внешнему виду похож на антрацит, но под воздействием лучей света способен переливаться всеми цветами радуги. Камень имеет высокую твердость и способность царапать все минералы, за исключением алмаза. Карборунд — тугоплавкий материал со значительной плотностью. Устойчивый к воздействию кислот и других факторов внешней среды. Но несмотря на это он обладает исключительной красотой и способностью прекрасно преломлять лучи света. По характеристикам этот кристалл напоминает камень муссанит, но в отличие от него добыт искусственно. У карборунда существует 250 кристаллических форм, которые отличаются по передаваемой цветовой гамме. Камень имеет высокую стойкость к истиранию.
Где используется
Прочностные и эстетические кондиции обусловили широкую востребованность синтетического камня:
- В строительстве он нашел применение как материал внутренней и наружной отделки помещений, добавка в базовый состав дорожного покрытия.
- В промышленности это абразивы, бронированные сорта стали для армии, полупроводники для электротехники, катализаторы для металлургии и химической промышленности.
- Для научных потребностей используется как оптика (например, линзы микро- и телескопов).
По особой технологии изготавливается ювелирная разновидность кристаллов.
Содержание
- 1 Открытие и начало производства
- 2 Формы нахождения в природе
- 3 Производство
- 4 Структура и свойства 4.1 Электропроводность
- 4.2 Физические свойства
- 4.3 Химические свойства
- 5.1 Абразивные и режущие инструменты
Стоимость
В России можно купить ювелирные украшения и коллекционный материал из карборунда. Цена не запредельна (тыс. руб.):
- кольца, подвески (серебро) – 4-10;
- браслеты, колье (серебро) – 10-15;
- необработанные самородки (Китай, 8-55 г) – 0, 6-1,1.
В Италии, возле вулкана Везувий, как карборунд туристам продают его застывшую лаву.
Примечания[ | ]
- Patnaik, P.
Handbook of Inorganic Chemicals. — McGraw-Hill, 2002. — ISBN 0070494398. - ↑ 12
Properties of Silicon Carbide (SiC)
(неопр.)
. Ioffe Institute. Архивировано 24 апреля 2012 года. - ↑ 123
https://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0555.html - Weimer, A. W.
Carbide, nitride, and boride materials synthesis and processing. — Springer, 1997. — P. 115. — ISBN 0412540606. - Acheson, G. (1893) U.S. Patent 492 767 «Production of artificial crystalline carbonaceous material»
- The Manufacture of Carborundum — a New Industry (4/7/1894). Архивировано 23 января 2009 года.
- Dunwoody, Henry H.C. (1906) U.S. Patent 837 616 «Wireless telegraph system» (silicon carbide detector)
- Hart, Jeffrey A.; Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha.
A History of Electroluminescent Displays
(неопр.)
. Архивировано 24 апреля 2012 года. - Moissan, Henri (1904). “Nouvelles recherches sur la météorité de Cañon Diablo”. . 139
: 773—786. - Di Pierro S.; et al. (2003). “Rock-forming moissanite (natural α-silicon carbide)”. American Mineralogist
.
88
: 1817—1821. - Alexander C. M. O’D. (1990). “In situ measurement of interstellar silicon carbide in two CM chondrite meteorites”. Nature
.
348
: 715—717. DOI:10.1038/348715a0. - Jim Kelly.
The Astrophysical Nature of Silicon Carbide
(неопр.)
. - ↑ 123Harris, Gary Lynn.
Свойства карбида кремния = Properties of silicon carbide. — United Kingdom: IEE, 1995. — 282 с. — P. 19; 170–180. — ISBN 0852968701. - Lely, Jan Anthony.
Darstellung von Einkristallen von Silicium Carbid und Beherrschung von Art und Menge der eingebauten Verunreinigungen (нем.) // Журнал Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft. — 1955. — H. 32. — S. 229—236. - N.Ohtani, T.Fujimoto, T.Aigo, M.Katsuno, H.Tsuge, H.Yashiro.
Large high-quality silicon carbide substrates (англ.) // Nippon Steel Technical Report no. 84. — 2001. Архивировано 4 марта 2012 года. - Byrappa, K.; Ohachi, T.
Crystal growth technology. — Springer, 2003. — С. 180-200. — ISBN 3540003673. - Pitcher, M. W.; Joray, S. J.; Bianconi, P. A.
Smooth Continuous Films of Stoichiometric Silicon Carbide from Poly(methylsilyne) // журнал Advanced Materials. — 2004. — С. 706. — DOI:10.1002/adma.200306467. - Park, Yoon-Soo.
SiC materials and devices. — Academic Press, 1998. — С. 20–60. — ISBN 0127521607. - Bunsell, A. R.; Piant, A.
A review of the development of three generations of small diameter silicon carbide fibres // Journal of Materials Science. — 2006. — С. 823. — DOI:10.1007/s10853-006-6566-z. - Laine, Richard M.
Preceramic polymer routes to silicon carbide. — Babonneau, Florence: Chemistry of Materials, 1993. — С. 260. — DOI:10.1021/cm00027a007. - Cheung, Rebecca.
Silicon carbide microelectromechanical systems for harsh environments. — Imperial College Press, 2006. — С. 3. — ISBN 1860946240. - Morkoç, H.; Strite, S.; Gao, G. B.; Lin, M. E.; Sverdlov, B.; Burns, M.
Large-band-gap SiC, III-V nitride, and II-VI ZnSe-based semiconductor device technologies. — Journal of Applied Physics, 1994. — С. 1363. — DOI:10.1063/1.358463. - Muranaka, T.
Superconductivity in carrier-doped silicon carbide : free download. — Sci. Technol. Adv. Mater., 2008. — DOI:10.1088/1468-6996/9/4/044204. - стр. 119—128 в «Карбид кремния» под ред. Г.Хенита и Р.Рол, пер. с англ.; М. Мир: 1972 349с., с ил.
- Г. Г. Гнесин «Карбидокремниевые материалы» М. Металлургия: 1977, 216с, с ил.
- Properties of Silicon Carbide (SiC) (неопр.)
. Ioffe Institute. Проверено 6 июня 2009. Архивировано 24 апреля 2012 года. - Yoon-Soo Park, Willardson, Eicke R Weber.
SiC materials and devices. — Academic Press, 1998. — P. 1–18. — ISBN 0127521607. - Bhatnagar, M.; Baliga, B.J.
Comparison of 6H-SiC, 3C-SiC, and Si for power devices. — IEEE Transactions on Electron Devices, Март 1993. — Вып. 3. — С. 645–655. — DOI:10.1109/16.199372. - Kriener, M.
Superconductivity in heavily boron-doped silicon carbide (англ.) // Sci. Technol. Adv. Mater. : журнал. — 2008. — Вып. 9. — С. 044205. — DOI:10.1088/1468-6996/9/4/044205. - Важнейшие соединения кремния (рус.) (недоступная ссылка). Проверено 24 мая 2010. Архивировано 13 октября 2007 года.
- ↑ 1234
Кремния карбид (рус.). Проверено 24 мая 2010. Архивировано 24 апреля 2012 года. - А. М. Голуб.
Общая и неорганическая химия = Загальна та неорганична хімія. — Вища школа, 1971. — С. 227. — 443 с. — 6700 экз. - Fuster, Marco A. (1997) «Skateboard grip tape», U.S. Patent 5 622 759
- Bansal, Narottam P.
Handbook of ceramic composites. — Springer, 2005. — С. 312. — ISBN 1402081332. - Ceramics for turbine engines. Архивировано 6 апреля 2009 года.
- Dragon Skin – Most Protective Body Armor – Lightweight (неопр.)
. Future Firepower. Архивировано 24 апреля 2012 года. - Top 10 Fast Cars (неопр.)
(недоступная ссылка). Архивировано 26 августа 2009 года. - O’Sullivan, D.; Pomeroy, M.J.; Hampshire, S.; Murtagh, M.J.
Degradation resistance of silicon carbide diesel particulate filters to diesel fuel ash deposits // MRS proceedings. — 2004. — Вып. 19. — С. 2913–2921. — DOI:10.1557/JMR.2004.0373. - Whitaker, Jerry C.
The electronics handbook. — CRC Press, 2005. — С. 1108. — ISBN 0849318890. - Bhatnagar, M.; Baliga, B.J.
Comparison of 6H-SiC, 3C-SiC, and Si for power devices // IEEE Transactions on Electron Devices. — март, 1993. — Вып. 3. — С. 645–655. — DOI:10.1109/16.199372. - Madar, Roland.
Materials science: Silicon carbide in contention : Журнал Nature. — 2004-08-26. — Вып. 430. — С. 974–975. — DOI:10.1038/430974a. - Yellow SiC LED (неопр.)
. Архивировано 24 апреля 2012 года. - ↑ 12Stringfellow, Gerald B.
High brightness light emitting diodes. — Academic Press, 1997. — С. 48, 57, 425. — ISBN 0127521569. - The largest telescope mirror ever put into space, European Space Agency.
- Petrovsky, G. T.
2.7-meter-diameter silicon carbide primary mirror for the SOFIA telescope. — Журнал Proc. SPIE. — С. 263. - Thin-Filament Pyrometry Developed for Measuring Temperatures in Flames (англ.), NASA.
- Maun, Jignesh D.; Sunderland, PB; Urban, DL.
Thin-filament pyrometry with a digital still camera // Applied Optics. — 2007. — Вып. 4. — С. 483. — DOI:10.1364/AO.46.000483. — PMID 17230239. - Yeshvant V. Deshmukh.
Industrial heating: principles, techniques, materials, applications, and design. — CRC Press, 2005. — С. 383–393. — ISBN 0849334055. - López-Honorato, E.
TRISO coated fuel particles with enhanced SiC properties // Journal of Nuclear Materials : журнал. — 2009. — С. 219. — DOI:10.1016/j.jnucmat.2009.03.013. - O’Donoghue, M.
Gems. — Elsevier. — 2006. — С. 89. — ISBN 0-75-065856-8. - Silicon carbide (steel industry) (англ.). Архивировано 24 апреля 2012 года.
- Rase, Howard F.
Handbook of commercial catalysts: heterogeneous catalysts. — CRC Press, 2000. — С. 258. — ISBN 0849394171. - Singh, S. K.; Parida, K. M.; Mohanty, B. C.; Rao, S. B.
High surface area silicon carbide from rice husk: A support material for catalysts : Reaction Kinetics and Catalysis Letters. — 1995. — С. 29. — DOI:10.1007/BF02071177. - de Heer, Walt A.
Handbook of Nanophysics. — Epitaxial graphene: Taylor and Francis, 2010. — ISBN 1420075381. (недоступная ссылка) - de Heer, Walt A.
Epitaxial graphene // Solid State Communications. — 2007. — С. 92. — DOI:10.1016/j.ssc.2007.04.023. Архивировано 9 декабря 2008 года. - Елецкий А. В., Искандарова И. М., Книжник А. А., Красиков Д. Н.
Графен: методы получения и теплофизические свойства // УФН. — 2011. — Т. 181. — С. 227—258. — DOI:10.3367/UFNr.0181.201103a.0233. - 212. К. А. Сарайкина, В. А. Шаманов Дисперсное армирование бетонов // Вестник ПГТУ. Урбанистика. 2011. № 2.
Магические свойства
Установлено, что магические свойства карборунда позитивно отражаются на душевном состоянии человека:
- Камень символизирует материальное благополучие, притягивает деньги.
- Его влияние и помощь почувствует человек, который желает, но не способен побороть лень или не знает, как одолеть страх на пути к цели.
- Кристалл голубого цвета подходит стремящимся обрести сексуальную притягательность или стать умнее.
Магия карборунда дарит душевное равновесие, защищает от внешнего негатива, привносит спокойствие в дом.
Однако носить украшения или необработанный камень при себе постоянно не нужно: это чревато стрессом либо бессонницей.
Применение карборунда
Специалисты предсказывают карборунду довольно оптимистичное будущее. Его активное применение сегодня зафиксировано в таких областях человеческой деятельности, как автомобильная и металлургическая промышленность, астрономия, пирометрия, его даже применяют на практике в такой сфере, как электроника.
Конструкционный материал
С использованием карбида кремния изготавливают такие элементы, как:
- тормоза для спортивных авто;
- элементы бронированной военной техники. Это стало возможным благодаря повышенному уровню твердости исходного материала;
- шлифовальные порошки, активно использующиеся в различных отраслях промышленности, таких как металлургическая, электротехническая;
- высококачественные сопла и форсунки, а также распылители и насадки.
В ювелирном деле
Ученые долго и с интересом всматривались в пляшущие искорки света, что излучал муассанит, и, в конце концов, вынесли единодушный вердикт: камень идеален для изготовления элитных, эксклюзивных драгоценностей на любой вкус и цвет.
Шкатулки модниц по всему миру пополнились потрясающими украшениями с муассанитом: милыми колечками, всевозможными браслетами, подвесками – представители обоих полов сразу же оценили элегантный, вполне презентабельный внешний вид ювелирных изделий.
Коллекции дорогостоящих изделий сразу же пополнились украшениями, где чередуются брутальный аристократический и авангардный стили, где классика умело сочетается с романтизмом, и где арабский шик дополняется строгой европейской сдержанностью.
При помощи элитных украшений из муассанитов можно создать свой собственный имидж – причем образ твой может быть как строгим, респектабельным, так и по-лирически романтичным.
Даже самый простой, не цепляющий никакими деталями костюм, дополненный «холодными» украшениями, выделит тебя из серой, тучной толпы, привнесет в образ каплю благородства и неподдельной роскоши. При этом украшения из муассанита не отличаются крикливой броскостью, что не может не радовать.
Пьянительная роскошь камня и завораживающие глубина его света сделали невозможное, а именно – браслет с муассанитами на руке выглядит просто умопомрачительно, колечко на пальце – мило, и в то же время статусно.
Как полупроводник
Карбид кремния карборунд – отличный полупроводник, который:
- Обрел славу хорошего катализатора.
- Используется для изготовления высококачественных, стабильных светодиодов высокой мощности (достигающей 9 ватт).
- Применяется для производства лазера.
- Используется для изготовления терморезистора, всевозможных полупроводниковых устройств и полевого транзистора.
Таким образом, мауссанит – это «пришелец» из Космоса, который был дарован человеку по велению небес.
