كربيد السيليكون

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة استثنائية ذات خصائص فيزيائية متميزة. فهي مقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة والتآكل والتآكل مع معدلات تمدد حراري منخفضة.

يوجد المويسانيت بشكل طبيعي بكميات محدودة للغاية كمعدن، ومنذ ذلك الحين تم إنتاجه بكميات كبيرة عن طريق عملية الفرن الكهربائي المجمّع التي ابتكرها إدوارد ج. أتشيسون والتي لا تزال مستمرة حتى يومنا هذا.

الخصائص

يوفر كربيد السيليكون قوة كيميائية وميكانيكية استثنائية عبر طيف واسع من درجات الحرارة، ويقاوم التآكل والتآكل بفضل معامل المرونة العالي ومعامل التمدد الحراري المنخفض. وعلاوة على ذلك، يُظهر كربيد السيليكون مقاومة جيدة للصدمات الحرارية، على الرغم من أنه أقل مقاومة للصدمات الحرارية من الزركونيا الخزفية الهيكلية.

يعتبر SiC بشكل عام عازل كهربائي؛ ومع ذلك، مع إضافة شوائب يمكن أن يصبح موصلًا للكهرباء مع التحكم في إضافته. وعندما يتم تخديره بالألومنيوم أو البورون أو الغاليوم يصبح شبه موصل من النوع P بينما يؤدي التخدير بالنيتروجين أو الفوسفور إلى ظهور خصائص أشباه الموصلات من النوع N.

يتراوح لون SiC الصناعي النقي بين البني والأسود بسبب شوائب الحديد. وباعتباره مادة شبه موصلة متعددة الأنواع، فإن بنيته البلورية تختلف فيما يتعلق بكيفية تكدس ذرات الكربون والسيليكون في رباعي الإهداب؛ وهذا يسمح له بالتصرف إما كعازل أو موصل في درجات حرارة ثابتة؛ وعلاوة على ذلك يظل غير قابل للذوبان في كل من الماء والكحول ولكنه مقاوم لمعظم الأحماض العضوية والقلويات والأملاح.

التطبيقات

سيراميك كربيد السيليكون له تطبيقات في العديد من المجالات: من أدوات الكشط والقطع، والمواد الإنشائية (السترات الواقية من الرصاص والدروع المركبة)، وقطع غيار السيارات مثل أقراص المكابح ومانعات الصواعق إلى المقاومة العالية للتآكل والتآكل في بيئات مثل مصانع إنتاج البتروكيماويات أو أنظمة إزالة الكبريت من غاز المداخن.

تستفيد أجهزة الطاقة من SiC من خصائص أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريضة لتوصيلها بجهد أعلى، مما يجعل أنظمة تحويل الطاقة أكثر إحكاما مع تقليل فقد الطاقة وأوقات تحويل أقصر. وعلاوة على ذلك، تفوقت أجهزة SiC على نظيراتها من السيليكون عندما يتعلق الأمر بتبديل أداء التيار ودرجة الحرارة مقارنة بنظيراتها من السيليكون مما أدى إلى تحقيق مكاسب كبيرة في كفاءة المنتجات النهائية.

يُحدث كربيد السيليكون (SiC) ثورة سريعة في مجال إلكترونيات الطاقة بسبب مزيجها الفريد من الخصائص الفيزيائية والإلكترونية. تُعد MOSFETs وصمامات شوتكي الثنائية المصنوعة من كربيد السيليكون من أشباه الموصلات المستخدمة على نطاق واسع، وتشكل مكونات رئيسية في محولات الجر في السيارات الكهربائية وأجهزة الشحن على متنها وكذلك محولات التيار المستمر/التناوب الموجودة في محطات الشحن - وهذا يترجم إلى تحسين نطاق البطارية في السيارات الكهربائية وزيادة الكفاءة في التطبيقات الصناعية.

التصنيع

يمكن تحويل كربيد السيليكون إلى مجموعة من المواد لمختلف الاستخدامات. ويعتمد عليه المهندسون الميكانيكيون كسيراميك متطور لقوته وصلابته ومقاومته للتآكل والتآكل، وكذلك مهندسو الكهرباء الذين يستخدمون خصائصه الكهربائية الاستثنائية كأشباه موصلات. وعلاوةً على ذلك، يلعب كربيد السيليكون جزءًا لا يتجزأ من الدروع المركبة مثل دروع تشوبهام أو الألواح الخزفية الموجودة في السترات الواقية من الرصاص.

قام إدوارد جودريتش أتشيسون لأول مرة بتخليق سيكلوريد السيليكون صناعيًا في عام 1891 أثناء محاولته إنتاج الماس الصناعي. وبينما كان ينتج بلورات صلبة زرقاء سوداء اللون أطلق عليها اسم كربوروندوم بسبب تشخيصها خطأً على أنها مركب يشبه الياقوت الأزرق، أصبحت طريقته منذ ذلك الحين أساس معظم إنتاج سيكلوريد الكربون اليوم.

وتختلف نقاوة البلورات المنتجة في فرن أكيسون باختلاف بعدها عن مصدر حرارة مقاوم الجرافيت؛ فالبلورات الأقرب إليه تميل إلى أن تكون صافية بينما تميل البلورات البعيدة إلى أن تصبح أكثر قتامة مع التطعيم بالنيتروجين أو الألومنيوم، مما يقلل من التوصيلية. البلورات المفردة الكبيرة المنتجة تجاريًا من خلال عمليات ليلي المعدلة أو النقل الفيزيائي للبخار.

السلامة

يمكن أن يكون غبار كربيد السيليكون مصدر إزعاج مزعج قد يساهم في التليف الرئوي غير المتفاقم ويسبب تهيج الأنف والعينين. وقد يؤدي التعرض لفترات طويلة إلى الإصابة بالتغبر الرئوي - وهي حالة رئوية مزمنة تصاحبها أعراض تشمل تشوهات في الأشعة السينية للصدر وفقدان وظائف الرئة؛ بالإضافة إلى أنه يزيد من خطر الإصابة بالسل.

ونظراً لصلابتها وصلابتها الفائقة، توفر الدروع المصنوعة من ألياف الكربون حماية باليستية بوزن منتج أقل بكثير من حلول الفولاذ التقليدية.

تستفيد التطبيقات النووية من الكسوة المصنوعة من السيليكون السداسي الكلور نظراً لأدائها التشعيعي المتميز، حيث تتفوق على Zry-4 عند مستويات إجهاد تريسكا من إجهاد تريسكا الأساسي وما بعده، مع الحفاظ على هامش إغلاق مقبول. وعلاوة على ذلك، فإنها تتميز بانخفاض المقطع العرضي لامتصاص النيوترونات؛ وتُظهر كل من كسوة SS-310 و FeCrAl قيمًا سلبية أكثر هامشية لامتصاص النيوترونات عند الضغط الأساسي للتشبع بالنيوترونات مقارنةً بالسيليكون؛ ولكن هذا ينخفض بشكل ملحوظ بعد 5 ثوانٍ من LBLOCA بسبب اتساع دوبلر للنيوترونات الخصبة.