Бриллиантовый успех карбида кремния

Бриллиантовый успех карбида кремния

Фото: wikimedia.org

Российские инженеры приступили к созданию нового поколения орбитальных сканирующих устройств для будущих спутников дистанционного зондирования Земли. В основе технологии – уникальные оптические системы из карбида кремния, разработанные инженерами холдинга «Швабе». 

Сегодня карбид кремния или карборунд − один из самых перспективных композитов для авиационно-космической отрасли. Это вещество по 10-бальной шкале твердости набирает 9,4 балла – прочнее только алмаз. В последнее время карборунд все чаще встречается в ювелирном деле. Отличить синтетический камень от натурального бриллианта под силу только экспертам. 

Подробнее об истории карбида кремния, его применении в ювелирном искусстве, промышленности и космонавтике – в нашем материале.
 

Из космоса и из печки 

Карбид кремния, карборунд, муассанит – все это названия одного химического соединения. Различия − в его родословной. Муассанитом принято называть карбид кремния органического происхождения, а карборунд – это торговое и техническое название соединения. 

Муассанит получил свое наименование в честь первооткрывателя − Анри Муассана, французского химика, нобелевского лауреата. В 1893 году, изучая фрагменты метеорита, он обнаружил мельчайшие частицы нового минерала, который и назвали его именем. Нужно сказать, что в природной форме на нашей планете муассанит встречается крайне редко и в незначительных объемах. Зато его без проблем можно найти в огромных количествах в пылевых космических облаках, особенно за пределами Солнечной системы. 

2560px_Cristal_Carborandum,_Carborundum,_Moissanite_artificielle.JPG
Кристалл карбида кремния. Фото: Lamiot / wikimedia.org

По удивительному совпадению получить карбид кремния искусственным методом удалось в том же 1893 году. Американец Эдвар Ачесон не только изобрел процесс синтеза вещества, но и придумал для этого электрическую печь, которая до сих пор применяется и носит имя своего создателя. 

Основными сырьевыми компонентами для карборунда являются кварцевый песок и кокс. Спекание составляющих происходит в печи Ачесона при температуре от 1600 до 2500 градусов. Высококачественные чистые кристаллы можно получить в ходе процесса Лели путем возгонки порошка карбида кремния, то есть перевода его в парообразное состояние, и последующего осаждения. 

Вещество, получившее химическую формулу SiC, обладает уникальными свойствами. Карбид кремния – это сверхтвердый кристалл с очень высокой термической, химической и радиационной стойкостью. Его невозможно расплавить даже при очень высоком давлении. При обычных температурах карборунд практически не вступает в реакцию с другими веществами.

 

Абразив, полупроводник и бриллиантозаменитель 

Благодаря своим уникальным качествам, карбид кремния применяется в совершенно разных областях: от ювелирного дела до космонавтики. При этом изделия из него можно найти практически в любом домашнем хозяйстве, и особенно часто с ними взаимодействуют мужчины: из карбида кремния изготавливают точилки для ножей и шлифовальную бумагу. 

Именно использование в качестве абразива стало первой «профессией» карборунда. Из-за своей высокой твердости он применяется для заточки металлических изделий, обработки стекла, пластика, чистовой обработки металлов. По твердости карборунд всего лишь немного уступает алмазам, что позволяет применять его в составе композитных материалов для бронепластин, автодеталей, узлов спецтехники. 

shutterstock_405032305_1.jpg

Чуть позже были открыты полупроводниковые свойства карбида кремния, и началось его широкое применение в электронике и электротехнике. Именно в опытах с карбидом кремния в 1907 году был открыт светодиодный эффект, и долгое время он оставался основным материалом для светодиодов. 

Благодаря высокой термической устойчивости карбид кремния используют для облицовки печей, как материал для нагревательных элементов при высоких температурах. Стойкое к радиации вещество применяется в атомной промышленности, например, из карбида кремния изготавливают пеналы для длительного хранения и захоронения ядерных отходов. 

Moissanite_(synthetic_silicon_carbide)_5.jpg
Искусственный муссанит диаметром 9,5 мм, 2,72 карата. Фото: wikimedia.org

Кристаллы карбида кремния напоминают алмазы не только по химическим и физическим свойствам, но и визуально. С 1990-х годов карбид кремния выступает на ювелирном рынке в качестве дешевой альтернативы бриллиантам − ограненным алмазам. А когда в 2015 году закончился американский патент на способ кристаллизации карбида кремния, мир наводнили китайские украшения с псевдоалмазами. Муассанит, а именно так в ювелирном бизнесе чаще называют карбид кремния, в чем-то даже обгоняет настоящие бриллианты: его блеск более интенсивный. Отличить на глаз натуральный бриллиант от муассанита под силу только профессиональным ювелирам, поэтому звезды и знаменитости часто надевают на приемы, где высок шанс потерять драгоценность, муассанитовые дубликаты своих бриллиантовых украшений.
 

Материал будущего 

Впрочем, гораздо интереснее и полезнее наблюдать не за поп-звездами, а за настоящими светилами и планетами. И здесь снова на помощь приходить карбид кремния и его уникальные качества: прочность, стойкость и высокая теплопроводность, которые оказываются очень востребованными в максимально сложной среде – космосе. Например, карбид кремния входит в состав матриц оптических элементов для астрономических телескопов, передающих лазерных систем и других устройств. 

Сегодня на Лыткаринском заводе оптического стекла холдинга «Швабе» из карбида кремния создаются корпус и элементы оптической схемы многозонального сканирующего устройства. Этот прибор входит в состав аппаратуры наблюдения, разрабатываемой «Роскосмосом» для группировки малых спутников дистанционного зондирования Земли. Запуск этих спутников позволит в будущем вести непрерывную детальную фото- и видеосъемку событий на нашей планете в сверхвысоком разрешении. 

РКС при участии Ростеха создают новую видеосистему сканирования Земли с орбиты

Благодаря материалам на основе карбида кремния оптическая аппаратура для космоса становится более прочной и практически нечувствительной к изменению температуры окружающей среды. Тем самым решается главная задача устройств – обеспечение бесперебойной передачи качественного изображения в сложных условиях. 

Свойства карбида кремния позволяют создавать облегченную съемочную аппаратуру для космоса, которую можно устанавливать даже на малые спутники массой до 120 кг. В перспективе это выльется в значительную экономию, ведь масса используемого сегодня спутникового съемочного оборудования достигает порою полутонны, а вывод на орбиту каждого килограмма обходится в сотни тысяч рублей. Высвободившиеся килограммы можно будет использовать для установки другого оборудования, расширяющего возможности российских спутников.