عملية أتشيسون

عملية أتشيسون هي طريقة لتصنيع كربيد السيليكون (SiC) والجرافيت اخترعها إدوارد جودريتش أتشيسون وحصل على براءة اختراعها في عام 1896.

تتألف العملية من تسخين خليط من ثاني أكسيد السيليكون (SiO ₂ )، على شكل رمل السيليكا أو الكوارتز ، ^{[ 1 ]} والكربون ، في شكله العنصري على شكل مسحوق فحم الكوك ، في وعاء حديدي. ^{[ 2 ]}

في الفرن، يُصهر ثاني أكسيد السيليكون، الذي قد يحتوي أحيانًا على إضافات أخرى إلى جانب أكسيد الحديديك ونشارة الخشب، حول قضيب من الجرافيت يعمل كقلب. تُدخل هذه القضبان بحيث تتلامس مع بعضها البعض عبر جزيئات فحم الكوك، والتي تُعرف عادةً باسم طبقة فحم الكوك. يمر تيار كهربائي عبر قضبان الجرافيت، مما يُسخن الخليط إلى درجة حرارة تتراوح بين 1700 و2500  درجة مئوية. ^{[ 1 ]} ينتج عن التفاعل الكربوني الحراري طبقة من كربيد السيليكون (خاصةً في طوريه ألفا وبيتا) ^{[ 1 ]} تتشكل حول القضيب، مع انبعاث أول أكسيد الكربون (CO). هناك أربعة تفاعلات كيميائية في إنتاج كربيد السيليكون: ^{[ 3 ]}

1. C + SiO ₂ → SiO + CO
2. SiO₂ + _CO → SiO + _CO₂
3. C + CO ₂ → 2CO
4. SiO + 2 C → SiC + CO

هذه العملية برمتها ماصة للحرارة للغاية ، مع تفاعل صافٍ: ^{[ 1 ]}

SiO ₂ + 3 C + 625.1 كيلوجول → α-SiC + 2 CO

في عام 1890، حاول أتشيسون تصنيع الماس، لكنه انتهى بتكوين بلورات زرقاء من كربيد السيليكون أطلق عليها اسم كاربورندوم . ^{[ 4 ]} اكتشف أن السيليكون يتبخر عند تسخينه بشدة، تاركًا الجرافيت. كما اكتشف أنه عند استخدام الكربون بدلًا من كربيد السيليكون، لا يُنتج الجرافيت إلا بوجود شوائب، مثل السيليكا، التي تؤدي أولًا إلى تكوين الكربيد. حصل على براءة اختراع لعملية تصنيع الجرافيت عام 1896. ^{[ 5 ]} بعد اكتشاف هذه العملية، طور أتشيسون فرنًا كهربائيًا فعالًا يعتمد على التسخين المقاوم ، ويُعد تصميمه أساسًا لمعظم عمليات تصنيع كربيد السيليكون اليوم. ^{[ 6 ]}

أُنشئ أول مصنع تجاري يستخدم عملية أتشيسون في شلالات نياجرا، نيويورك ، حيث كانت محطات الطاقة الكهرومائية القريبة قادرة على إنتاج الطاقة اللازمة لهذه العملية كثيفة الاستهلاك للطاقة بتكلفة منخفضة. ^{[ 6 ]} وبحلول عام 1896، كانت شركة كاربوراندوم تُنتج مليون رطل من كربيد السيليكون. ^{[ 7 ]} وتستخدم العديد من مصانع كربيد السيليكون الحالية التصميم الأساسي نفسه لمصنع أتشيسون الأول. في المصنع الأول، أُضيف نشارة الخشب والملح إلى الرمل للتحكم في نقائه. وتم التخلي عن إضافة الملح في ستينيات القرن الماضي، نظرًا لتسببه في تآكل الهياكل الفولاذية. كما توقف استخدام نشارة الخشب في بعض المصانع للحد من الانبعاثات. ^{[ 3 ]}

لتصنيع منتجات الجرافيت الصناعي، يُخلط مسحوق الكربون والسيليكا مع مادة رابطة، مثل القطران، ثم يُخبز الخليط بعد ضغطه لتشكيله على هيئة أقطاب كهربائية أو بوتقات. ^{[ 8 ] [ 9 ]} بعد ذلك، تُحاط هذه المنتجات بحبيبات الكربون التي تعمل كعنصر مقاوم لتسخينها. في فرن كاستنر للجرافيت الطولي الأكثر كفاءة ، تُسخّن المواد المراد جرافيتتها، كالقضبان مثلاً، مباشرةً بوضعها طولياً طرفاً لطرف ملامسةً لأقطاب الكربون بحيث يمر التيار الكهربائي عبرها، وتعمل حبيبات الكربون المحيطة كعازل حراري، ولكن بخلاف ذلك، يُشبه الفرن تصميم أتشيسون. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

لإتمام هذه المنتجات، تستغرق العملية حوالي 20 ساعة في200 فولت  مع تيار بدء قدره300 أمبير  ( [2 ] يتطلب فرنًا بطول 9 أمتار وعرض 35 سم وعمق 45 سم قدرة 60 كيلوواط ، وتنخفض المقاومة مع ارتفاع درجة حرارة الكربون بسبب معامل درجة حرارة سالب ، مما يؤدي إلى زيادة التيار. ^{[ 12 ]} تستغرق عملية التبريد أسابيع. تبلغ نقاوة الجرافيت التي يمكن الحصول عليها باستخدام هذه العملية 99.5%. ^{[ 12 ]}

كان كربيد السيليكون مادة مفيدة في صناعة المجوهرات نظرًا لخصائصه الكاشطة، وكان هذا أول تطبيق تجاري لعملية أتشيسون. ^{[ 3 ]}

في الأربعينيات من القرن العشرين، اعتمد مشروع مانهاتن أولاً ثم مشروع القنبلة الذرية السوفيتية عملية أتشيسون لتصنيع الجرافيت النووي (انظر التفاصيل هناك).

أُنتجت أولى الثنائيات الباعثة للضوء باستخدام كربيد السيليكون من خلال عملية أتشيسون. وقد أدى الاستخدام المحتمل لكربيد السيليكون كمادة شبه موصلة إلى تطوير عملية ليلي ، التي استندت إلى عملية أتشيسون، ولكنها سمحت بالتحكم في نقاء بلورات كربيد السيليكون. ^{[ 13 ]}

أصبح الجرافيت ذا قيمة كمادة تشحيم ولإنتاج أقطاب كهربائية عالية النقاء.

ترتبط التعرضات المهنية المرتبطة بعملية أتشيسون ارتباطًا وثيقًا بزيادة خطر الإصابة بسرطان الرئة. ^{[ 14 ]}

• كارداريلي، فرانسوا (9 يناير 2008). دليل المواد: مرجع مكتبي موجز . سبرينغر. ISBN 978-1-84628-668-1.
• زترلينغ، كارل ميكائيل؛ مهندسون، معهد المهندسين الكهربائيين (1 نوفمبر 2002). تكنولوجيا تصنيع أجهزة كربيد السيليكون . ISBN 978-0-85296-998-4.
• إروين، دوغلاس (17 مايو 2002). تصميم العمليات الكيميائية الصناعية . ماكجرو هيل. ISBN 978-0-07-137621-1.
• غوبتا، جي إس؛ فاسانث كومار، بي؛ رودولف، في آر؛ غوبتا، إم. (2001). "نموذج انتقال الحرارة لعملية أتشيسون". مجلة المعادن والمواد، الجزء أ . 32 (6): 1301. رمز Bibcode : 2001MMTA...32.1301G . doi : 10.1007/s11661-001-0220-9 . S2CID 136826621 .