ما هو كربيد السيليكون؟

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة سيراميك شديدة الصلابة ومقاومة للتآكل تُستخدم في مكابح وقوابض السيارات للحصول على أجزاء تدوم طويلاً.

تشمل الخواص الميكانيكية التمدد الحراري المنخفض والصلابة العالية.

هذه الصفات تجعل هذه المادة مناسبة تمامًا لإلكترونيات الطاقة، حيث تتيح فجوة النطاق الأوسع لها جهد تشغيل أعلى من محولات السيليكون التقليدية.

الصلابة

كربيد السيليكون (SiC) هو أحد أقسى المواد المنتجة صناعياً، ويأتي في المرتبة الثانية بعد كربيد البورون والماس. وبفضل تصنيفها الاستثنائي لمقاومة التآكل وخصائصها المستقرة حرارياً، تُعد SiC خياراً مثالياً للمواد التي تتطلب مقاومة عالية للتحمل أو مقاومة درجات الحرارة.

يشكل مسحوق SiC تراكيب بلورية يتراوح لونها من الأصفر والأخضر إلى الأسود المزرق حسب درجة نقائه. SiC غير قابل للذوبان في الماء ولكنه أكثر قابلية للذوبان في القلويات أو الحديد.

يمكن زيادة سيراميك SiC بشكل كبير عن طريق إضافة مراحل ناعمة مثل GNPs وTi، أو عن طريق التلبيد بمواد مثل كربيد النيوبيوم لزيادة الكثافة [17]، مما يؤدي إلى زيادة التوصيل الحراري للمنتج النهائي وزيادة الصلابة (يزداد حجم الحبيبات ويزداد الترابط التفاعلي مع درجة الحرارة). ومع ذلك، لا ينبغي أبدًا تجاوز درجات الحرارة القصوى وإلا فقد تفقد جزيئات سيكلوريد الكربون بنيتها البلورية وتصبح هشة بمرور الوقت.

التوصيل الحراري

إن الموصلية الحرارية الفائقة لكربيد السيليكون تجعله المادة المفضلة للتطبيقات التي تتطلب أداءً سريعًا وموثوقًا في درجات الحرارة والجهود العالية للغاية. كما أن مقاومته للجهد أعلى بعشر مرات من مقاومة السيليكون، متفوقًا بذلك على نيتريد الغاليوم في الأنظمة التي تعمل فوق 1000 فولت.

تسمح خاصية فجوة الحزمة الواسعة لكربيد السيليكون بأداء جيد في الأجهزة الحساسة لتغيرات درجة الحرارة والجهد، مثل تلك المستخدمة لتشغيل السيارات الكهربائية. وعلاوة على ذلك، فإن فجوة النطاق الواسعة لكربيد السيليكون تحميه أيضًا من التآكل والأكسدة.

يمكن تصنيع كربيد السيليكون في أشكال وأحجام مختلفة اعتمادًا على الاستخدام المقصود. وغالباً ما يتم تصنيعه كمسحوق ناعم يتم خلطه مع مساعدات التلبيد غير الأكسيدية لتشكيل عجينة يمكن بعد ذلك ضغطها من خلال البثق أو القولبة بالحقن أو التشكيل بالبثق لأغراض الضغط أو التشكيل. قد تتضمن طرق أخرى ترسيب البخار الكيميائي أو عمليات التخليق القائمة على الكربون التي تنتج سيكلوريد الكربون المكعب الذي يعمل كمادة كاشطة أثناء عمليات الطحن والشحذ والقطع بنفث الماء.

التمدد الحراري

كربيد السيليكون مادة صلبة تتمتع بمقاومة ممتازة للصدمات الحرارية، مما يجعلها مناسبة لمختلف عمليات التصنيع الكاشطة مثل الطحن والشحذ والقطع بنفث الماء. وعلاوة على ذلك، يضمن معامل التمدد الحراري المنخفض نسبيًا ثبات أبعاده بمرور الوقت؛ مما يجعل كربيد السيليكون مادة كاشطة لا غنى عنها في عمليات الصقل الحديثة.

يحتوي كربيد السيليكون على بنية مترابطة متقاربة تتكون من رباعي رباعي الإحداثيات التناسقية الأولية المكونة من أربع ذرات سيليكون وأربع ذرات كربون ترتبط كل منها تساهمياً مع بعضها البعض لتكوين بنى متعددة الأنواع متقاربة.

يمكن تغيير التركيب البلوري لكربيد السيليكون لتغيير خواصه المرنة، مما يوفر التحكم في خواصه المرنة. أُجريت الحسابات المبدئية الأولى باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية للتحقق من كيفية تأثير العيوب المختلفة مثل العيوب الشاغرة والعيوب الخلالية والمضادة للخلل في الثوابت المرنة لكربيد السيليكون وكربيد الزرنيخ؛ على سبيل المثال، يقلل عيب VC المهيمن بشكل كبير من C44 بينما كان للعيوب الأخرى تأثير ضئيل مثل VSi وSit.

التوصيل الكهربائي

يتكون كربيد السيليكون من بلورات سداسية الشكل مرتبطة معًا بروابط تساهمية قوية، مما ينتج عنه مادة متينة تُستخدم في تطبيقات متنوعة مثل ورق الصنفرة وعجلات الطحن وأدوات القطع منذ اكتشافه في أواخر القرن التاسع عشر. وفي الآونة الأخيرة، تم استخدامه أيضًا في البطانات المقاومة للحرارة في الأفران الصناعية، والأجزاء المقاومة للتآكل للمضخات ومحركات الصواريخ، وكركيزة شبه موصلة للصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED).

يُعد كربيد السيليكون في حالته النقية عازلًا كهربائيًا؛ ومع ذلك، يمكن أن يتحول إلى شبه موصل كهربائي بإضافة شوائب تُعرف باسم المواد المنشّطة. تخلق شوائب النيتروجين والفوسفور خصائص أشباه الموصلات من النوع N؛ وتحولها شوائب الألومنيوم أو البورون أو الغاليوم إلى خصائص من النوع P.

تسمح فجوة النطاق العريضة لكربيد السيليكون بتوصيل الكهرباء بكفاءة أكبر من أشباه الموصلات التقليدية، مما يؤدي إلى أجهزة ذات وقت تشغيل أصغر وأسرع ومقاومة أعلى لدرجات الحرارة وتحمل أعلى للجهد؛ وقدرات أكبر على التعامل مع الطاقة مما يؤدي إلى انخفاض التكاليف في العديد من التطبيقات.