تركيبة كربيد السيليكون

كربيد السيليكون، الذي يشار إليه بشكل أكثر شيوعًا باسم الكاربوروندوم، هو سيراميك صلب وقوي من غير الأكسيد ذو خصائص فيزيائية فريدة من نوعها يستخدم بشكل متكرر في المواد الكاشطة والتطبيقات المعدنية.

يتم إنتاج SiC في البداية باستخدام عملية أتشيسون؛ أما اليوم فيتم إنتاجه بكميات كبيرة باستخدام فرن الطوب المقاوم للكهرباء عن طريق خلط رمل السيليكا النقي مع فحم الكوك المطحون ناعماً، مما ينتج عنه بلورات صفراء-خضراء إلى سوداء مائلة إلى الزرقة مع تقزح قزحي بارز.

الخصائص الفيزيائية

كربيد السيليكون (SiC) هو مركب بلوري شديد الصلابة من السيليكون والكربون، يُعرف باسم مويسانيت، تم اكتشافه لأول مرة في حالته الطبيعية (نيزك كانيون ديابلو في أريزونا) من قبل الكيميائي هنري مويسان الحائز على جائزة نوبل في عام 1893 كجزء من تحقيقاته في المواد الطبيعية.

يحتوي كربيد السيليكون على بنية بلورية متعددة الطبقات وتأتي في أنواع مختلفة مع ترتيبات تكديس محددة من ذرات السيليكون والكربون، والمعروفة بترتيب يعرف باسم 3C-SiC؛ على الرغم من وجود أكثر من 100 بنية أخرى ذات خصائص كيميائية وفيزيائية مماثلة.

يمكن تحويل كربيد السيليكون إلى مواد خزفية عن طريق التلبيد (ربط الجسيمات معًا بدرجات حرارة عالية) من خلال طرق مختلفة. وإحدى العمليات الشائعة للقيام بذلك هي كربيد السيليكون المترابط بالتفاعل، والمعروف أيضًا باسم هيكسولوي (ص)، والذي يستخدم مسحوق سيك المترابط بالتفاعل الممزوج مع المواد الأولية الكربونية المسامية من خلال التشكيل الإضافي أو الصب أو البثق لإنتاج مادة خزفية مكثفة بالكامل ذات خصائص كيميائية وميكانيكية استثنائية تعمل في درجات حرارة الاستخدام النهائي القصوى.

الخواص الكيميائية

يتميز كربيد السيليكون بالعديد من الخصائص المفيدة التي تجعله مركباً صناعياً قيماً. فهو خامل كيميائياً ومقاوم للتآكل. وعلاوةً على ذلك، فإن كربيد السيليكون يُعد مادة كاشطة ممتازة أصبحت تُستخدم على نطاق واسع في صناعة الجواهر الحديثة بسبب متانتها ومعدل صلابة موس 10.5.

يمكن تخدير هذه المادة البلورية لإنتاج أشباه الموصلات من النوع n والنوع p، حيث ينتج عن التخدير بالنيتروجين النوع الأول وعن التخدير بالغاليوم أو الألومنيوم أو البورون النوع الثاني. وتتحمل درجة حرارة عالية ولا تتفاعل مع القلويات أو معظم المواد العضوية باستثناء حمض الهيدروفلوريك.

أدت المرونة الاستثنائية لكربيد السيليكون إلى استخدامه في تطبيقات مختلفة، بدءًا من أقراص المكابح الخزفية للسيارات الرياضية والسترات الواقية من الرصاص، إلى موانع تسرب عمود المضخة نظرًا لموصلية حرارية عالية وقدرته على تبديد حرارة الاحتكاك قبل انتقالها إلى أسطح المحامل الفولاذية. وعلاوة على ذلك، فإن تركيبته الكيميائية المعقدة تعني وجود أشكال متعددة أو أنواع متعددة تحتوي على تراكيب بلورية وترتيبات ترابط مختلفة داخل تركيبته المركبة.

الخصائص الكهربائية

حصل كربيد السيليكون على اعتراف متجدد في السنوات الأخيرة بسبب خصائصه الميكانيكية الاستثنائية مثل الصلابة العالية والخمول الكيميائي، ولكنه يتميز أيضًا بخصائص كهربائية مفيدة. ونظرًا لتركيبته البلورية، يسمح كربيد السيليكون بإدخال الشوائب المعروفة باسم المنشطات من خلال التطعيم لخلق المزيد من حاملات الشحنة الحرة مثل الإلكترونات والثقوب داخل مادته مما يزيد من التوصيلية.

يتيح التركيب الذري الفريد لكربيد السيليكون توصيلية حرارية عالية نسبيًا بسبب التراص المحكم لذراته ذات أنصاف الأقطار الكبيرة وتوصيلها الصوتي اللاحق؛ وهذا يعطي كربيد السيليكون ميزة على السيراميك الهيكلي الآخر مثل نيتريد الألومنيوم والبريليا التي لها توصيلية حرارية أقل بسبب أنصاف أقطارها الذرية الأوسع.

يحدث كربيد السيليكون بشكل طبيعي كمعدن المويسانيت البلوري بكميات صغيرة؛ ومع ذلك، يتم إنتاج معظم كربيد السيليكون المستخدم تجاريًا صناعيًا لاستخدامه كمادة كاشطة أو مادة حرارية متقدمة عن طريق إشعال خليط من رمل السيليكا والكربون في فرن الطوب في فرن المقاومة الكهربائية.

الخواص الميكانيكية

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة خزفية شديدة الصلابة بمقياس صلابة موس 9. يظهر عادةً على شكل بلورات قزحية صفراء إلى خضراء إلى سوداء مزرقة تتسامى عند درجة حرارة 2700 درجة مئوية قبل أن تتحلل في الماء أو مع القلويات والحديد في درجات حرارة أعلى، ويتميز بمقاومة ممتازة للتآكل والقوة في درجات حرارة تصل إلى 1600 درجة مئوية، مع وجود دور ثانوي للقوام وحجم الحبيبات والعيوب في التراص والشوائب أو عيوب التراص في الخواص الميكانيكية.

يتم إنتاجه صناعيًا من خلال عملية أتشيسون، والتي تتضمن خلط السيليكا مع الكربون في فرن كهربائي في درجات حرارة عالية باستخدام طريقة أتشيسون، أو يوجد بشكل طبيعي كمادة مويسانيت اكتشفت لأول مرة في فوهة نيزك كانيون ديابلو في أريزونا عام 1893. وقد تم الاعتراف بالمويسانيت منذ فترة طويلة كمادة أساسية في السيراميك الوظيفي المتقدم والمواد الكاشطة والمواد الخام المعدنية بسبب توصيله الحراري الممتاز وتمدده الحراري الأدنى بالإضافة إلى ثباته الكيميائي الاستثنائي؛ فهو مقاوم لمعظم الأحماض العضوية وغير العضوية وكذلك الأملاح ولكن يوجد حمض الهيدروفلوريك أو الفلوريدات الحمضية.