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アチソン法は、エドワード・グッドリッチ・アチソンによって発明され、1896 年に特許を取得したシリコンカーバイド(SiC) とグラファイトを合成する方法です。
プロセス
このプロセスは、シリカまたは石英砂の形の二酸化ケイ素（SiO 2 ） [1]と粉末コークスの形の炭素の混合物を鉄のボウルで加熱することから成ります。[2]
炉の中では、二酸化ケイ素（酸化鉄やおがくずなどの添加物も含まれることがある）が、コアとなるグラファイト棒の周囲で溶融される。これらの棒は、コークスの粒子を介して互いに接触するように挿入され、一般にコークス床と呼ばれる。グラファイト棒に電流が流され、混合物は1700～2500℃に加熱される。[1]炭素熱反応の結果、棒の周囲にシリコンカーバイド層（特にアルファ相とベータ相）[1]が形成され、一酸化炭素（CO）が放出される。シリコンカーバイドの製造には4つの化学反応がある：[3]
- C + SiO 2 → SiO + CO
- SiO2 + CO → SiO2 + CO2
- C + CO 2 → 2CO
- SiO + 2 C → SiC + CO
この全体的なプロセスは非常に吸熱的であり、純反応は[1]
- SiO 2 + 3 C + 625.1 kJ → α-SiC + 2 CO
発見
1890年、アチソンはダイヤモンドの合成を試みましたが、結局は青い炭化ケイ素の結晶を作り、それをカーボランダムと名付けました。[4]彼は、過熱するとケイ素が蒸発し、グラファイトが残ることを発見しました。また、炭化ケイ素ではなく炭素から始めると、シリカなどの不純物がある場合に限りグラファイトが生成され、炭化物が最初に生成されることを発見しました。彼は1896年にグラファイト製造プロセスの特許を取得しました。[5]このプロセスを発見した後、アチソンは抵抗加熱に基づく効率的な電気炉を開発しました。この設計は、今日のほとんどの炭化ケイ素製造の基礎となっています。[6]
商業生産
a – コークスと砂の混合物、
b – レンガ、
c – 炭素電極、
d – 耐火物、
e – 黒鉛化するための棒、
f – 粒状コークス
アチソン法を使用した最初の商業プラントは、ニューヨーク州ナイアガラフォールズにアチソン社によって建設されました。このプラントでは、近くの水力発電所が、エネルギー集約型プロセスに必要な電力を安価に生産することができました。[6] 1896年までに、カーボランダム社は100万ポンドのカーボランダムを生産していました。[7] 現在の多くのシリコンカーバイドプラントは、最初のアチソンプラントと同じ基本設計を使用しています。最初のプラントでは、純度を制御するためにおがくずと塩が砂に追加されました。塩の添加は、鉄骨構造物を腐食させるため、1960年代に廃止されました。排出量を削減するため、一部のプラントではおがくずの添加が中止されました。[3]
合成黒鉛製品を製造するには、炭素粉末とシリカをタールなどの結合剤と混合し、電極やるつぼなどの形状にプレスした後、焼成する。[8] [9]次に、それらを加熱する抵抗要素として機能する粒状炭素で囲む。より効率的なカストナー縦方向黒鉛化炉では、黒鉛化される製品（ロッドなど）を縦方向に端から端まで炭素電極に接触させて直接加熱し、電流が流れるようにし、周囲の粒状炭素が断熱材として機能するが、それ以外はアチソンの設計に似ている。[10] [11]
アイテムを仕上げるために、このプロセスは約20時間実行されます。200 V、始動電流300A （長さ約9メートル、幅35センチ、深さ45センチの炉で、最大60kWの電力を供給でき、炭素が熱くなると負の温度係数により抵抗が下がり、 電流が増加する。[2]冷却には数週間かかる。このプロセスで達成できるグラファイトの純度は99.5%である。[12]
用途
シリコンカーバイドはその研磨特性から宝飾品の製造に有用な材料であり、これがアチソン法の最初の商業的応用であった。[3]
1940 年代には、まずマンハッタン計画、次にソ連の原子爆弾計画で、原子炉用グラファイトの製造にアチソン法が採用されました(詳細はそちらを参照)。
最初の発光ダイオードは、アチソン法でシリコンカーバイドを使用して製造されました。シリコンカーバイドを半導体として利用できる可能性から、アチソン法をベースにシリコンカーバイド結晶の純度を制御できるレリー法が開発されました。[13]
グラファイトは潤滑剤として、また高純度電極の製造に貴重なものとなりました。
がんとの相関関係
アチソン法に関連する職業上の曝露が人間に発がん性があることについては十分な証拠がある。アチソン法に関連する職業上の曝露は肺がんを引き起こす。[14]
参考文献
- ^ abcd 「シリコンカーバイドの芸術」www.sic.saint-gobain.com 。 2015年10月22日閲覧。
- ^ ab US 711031、Acheson、EG、「グラファイトの製造プロセス」、1902-10-14 発行
- ^ abc Weimer , AW (1997). 炭化物、窒化物、ホウ化物材料の合成と処理。ロンドン: Chapman & Hall。pp. 115– 122。ISBN 0-412-54060-6。
- ^ Mary Bellis (2013-07-19). 「Edward Goodrich Acheson – Carborundum」. Inventors.about.com. 2012年7月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年8月22日閲覧。
- ^ US 568323、Acheson、EG、「グラファイトの製造」、1896 年 10 月 29 日発行
- ^ ab Thompson, M. de Kay (1911). 応用電気化学. マクミラン社. pp. 220– 224.
- ^ 「Minor Paragraphs」. Popular Science Monthly : 431. 1898年1月. 2013年5月13日閲覧。
- ^ US 617979、Acheson、EG、「グラファイト製品の製造方法」、1899-01-17 発行
- ^ US 836355、Acheson、EG、「グラファイトの製造」、1906-11-20 発行
- ^ US 5631919、インターミル、アラン W.、ワイズ、フランシス E.、「炭素電極体の縦方向グラファイト化 (LWG) 装置」、1997 年 5 月 20 日公開
- ^ Lee, Sang-Min; Kang, Dong-Su; Roh, Jea-Seung (2015-09-16). 「バルクグラファイト：材料と製造プロセス」. Carbon Letters . 16 (3): 135– 146. doi : 10.5714/CL.2015.16.3.135 .
- ^アーウィン、 DL (2002)。工業化学プロセス設計。ニューヨーク：マグロウヒル。p.579。ISBN 0-07-137620-8。
- ^ Saddow , SE (2004). シリコンカーバイド処理と応用の進歩。マサチューセッツ州ノーウッド: Artech House。pp . 4– 6。ISBN 1-58053-740-5。
- ^ 評価。国際がん研究機関。2017年。
さらに読む
- カルダレッリ、フランソワ (2008-01-09)。マテリアル ハンドブック: 簡潔なデスクトップ リファレンス。ISBN 978-1-84628-668-1。
- Zetterling, Carl-Mikael; エンジニア、電気学会 (2002-11-01)。シリコンカーバイドデバイスのプロセス技術。ISBN 978-0-85296-998-4。
- アーウィン、ダグラス (2002-05-17)。工業化学プロセス設計。ISBN 978-0-07-137621-1。
- Gupta, GS; Vasanth Kumar, P.; Rudolph, VR; Gupta, M. (2001). 「アチェソン過程の熱伝達モデル」. Metallurgical and Materials Transactions A. 32 ( 6): 1301. doi :10.1007/s11661-001-0220-9. S2CID 136826621.