خواص كربيد السيليكون

كربيد السيليكون مادة سيراميك غير أكسيدية شديدة الصلابة والمتانة تتميز بالعديد من الخصائص المرغوبة. ويمكنها تحمل الإجهاد والضغط الميكانيكي الشديد دون أن تتشقق تحت الضغط؛ وبالإضافة إلى ذلك، فإن قدراتها الممتازة للحماية من التآكل تحمي المكونات من الأحماض أو المواد الكيميائية القلوية العدوانية التي يمكن أن تتآكل المكونات.

إن التطبيقات الإلكترونية لخصائص أشباه الموصلات في الياقوت تجعله لا يقدر بثمن: حيث إن قدرته على تحمل الجهد العالي تفوق السيليكون بعشر مرات. ويؤدي التطعيم بالنيتروجين والفوسفور إلى إنتاج أشباه موصلات من النوع n؛ أما الألومنيوم والبورون والغاليوم فهي خيارات مثالية لإنتاج أشباه موصلات من النوع p.

قوة عالية

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة خاملة مكونة من ذرات الكربون والسيليكون المرتبطة ببعضها البعض تساهمياً من خلال الترابط الكيميائي، وتوجد بشكل طبيعي في صورة مويسانيت ولكن يتم إنتاجها بكميات كبيرة منذ عام 1893 في صورة مسحوق وأشكال بلورية لاستخدامها كمادة كاشطة ومقاومة للحرارة. ويتمتع SiC بواحد من أعلى مستويات القوة بين السيراميك المتقدم؛ ويستخدم على نطاق واسع في مكابح السيارات والقوابض والسترات الواقية من الرصاص نظراً لمتانته فضلاً عن كونه مقاوم للتآكل بدرجة عالية ويتحمل درجات الحرارة.

SiC مادة سيراميك هندسية ذات قوة شد مماثلة للفولاذ، في حين أن معامل التمزق الخاص بها يتجاوز أي سيراميك هندسي غير أكسيد السيراميك. ونظرًا لخمولها الكيميائي الفائق، يمكن لمادة SiC أن تتحمل التعرض للأحماض والقلويات القاسية وهي مناسبة للتطبيقات التي توجد فيها هذه المواد.

من المعروف أن SiC يتمتع بمقاومة فائقة للتآكل بين السيراميك المتقدم، مع معامل تمدد حراري منخفض - مما يجعله الخيار المثالي للمكونات الموجودة في المصانع الكيميائية والمطاحن والموسعات وأجهزة البثق وكذلك فوهات الطارد. كما يتميز SiC أيضاً بمقاومة عالية للتآكل/التآكل في درجات الحرارة المرتفعة بالإضافة إلى مقاومته الفائقة للتآكل/ الخمول الكيميائي فضلاً عن قدرته على تحمل الصدمات الميكانيكية؛ مما يجعله ضرورياً في العديد من الأجهزة التكنولوجية بما في ذلك أجهزة المركبات الفضائية في أجهزة المركبة الفضائية في مهمة بيبي كولومبو والألواح الشمسية المعرضة لبيئات عطارد. بالإضافة إلى ذلك، يتميز SiC بقوة مجال كهربائي أقوى 10 مرات من السيليكون، لذا فإن هناك حاجة إلى مقاومة أقل من أجل تحقيق نفس الجهد الكهربائي.

مقاومة درجات الحرارة العالية

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة سيراميك خاملة ذات قوة ميكانيكية قوية وخصائص ممتازة لمقاومة الصدمات الحرارية ومقاومة عالية للمواد الكيميائية أيضاً، مما يوفر حلولاً مقاومة للتآكل في مختلف البيئات الصناعية. يمكن تشكيل كربيد السيليكون بسهولة في منتجات قوية مصنعة للاستخدام التجاري والعسكري مع قوة استثنائية في درجات حرارة تصل إلى 1400 درجة مئوية دون أن تفقد قوتها الميكانيكية أو تصبح حساسة للصدمات الحرارية؛ وعلاوة على ذلك، فهي تقاوم التآكل الناجم عن المواد والمواد المختلفة.

SiC مادة متعددة الاستخدامات ذات خصائص فيزيائية كيميائية استثنائية تجعلها مناسبة للعديد من الاستخدامات الصناعية. من عجلات الطحن وأدوات التصنيع إلى السترات الواقية من الرصاص، تجعل خصائصها الفيزيائية والكيميائية من SiC مادة مثالية. على وجه الخصوص، تتفوق مادة SiC في التطبيقات المقاومة للحرارة مثل محامل المضخات والصمامات وحاقنات السفع الرملي - ناهيك عن كونها مكونًا لا يقدر بثمن في تطبيقات الفضاء الجوي نظرًا لقدرتها على تحمل درجات الحرارة القصوى ومستويات الإشعاع الموجودة في الفضاء.

SiC هي مادة هجينة من السيراميك وأشباه الموصلات، مما يجعلها المادة المثالية للجمع بين خصائص السيراميك وأشباه الموصلات في أجهزة عالية السرعة وعالية الجهد. ونظراً لمقاومتها الممتازة لدرجات الحرارة العالية وخصائصها الممتازة لامتصاص الصدمات، يمكن أن تساعد SiC أيضاً في صنع محطات شحن السيارات الكهربائية ومحولات الطاقة الشمسية وأنظمة تخزين الطاقة. وعلاوة على ذلك، تساعد طبيعته المدمجة على تقليل الحجم والوزن لتحسين قيادة السيارات الكهربائية لمسافات أكبر.

موصلية حرارية عالية

كربيد السيليكون (SiC أو الكاربوروندوم)، هو مركب كيميائي غير عضوي يتكون من ذرات السيليكون والكربون ويوجد بشكل طبيعي في شكل جوهرة المويسانيت؛ ومع ذلك، يتم تصنيع أشكال المسحوق والبلورات من هذه المادة الكيميائية الصلبة تجارياً لاستخدامها كمادة كاشطة بالإضافة إلى إضافتها في تطبيقات السيراميك الحراري لمكابح السيارات والقوابض والسترات الواقية من الرصاص - أو استخدامها في الأجهزة شبه الموصلة نفسها.

تسمح الموصلية الحرارية العالية لهذه المواد بنقل الحرارة بكفاءة حتى في درجات الحرارة القصوى، مما يجعلها مكونًا أساسيًا للمواد الإلكترونية التي تساعد على تقليل فقد الطاقة عن طريق نقل الحرارة بكفاءة بين المناطق - وهي ميزة مفيدة بشكل خاص عند تطعيمها بالنيتروجين أو الفوسفور أو البريليوم أو الألومنيوم أو الغاليوم لإنشاء أشباه موصلات من النوع n والنوع p.

بالإضافة إلى ذلك، تتمتع المادة بمعامل تمدد حراري منخفض - مما يعني أنها لن تتمدد أو تنكمش بشكل كبير مع التغيرات المفاجئة في درجات الحرارة - مما يساعد على تقليل الكسور والتشقق عند تعرضها لتحولات مفاجئة في درجات الحرارة.

إن مجموعة الخصائص التي يتمتع بها كربيد السيليكون - القوة والمتانة العالية والتوصيل الحراري والتبديد السريع للحرارة - تجعله خيارًا ممتازًا من المواد لإنتاج الأجهزة الإلكترونية التي يجب أن تتحمل البيئات الصعبة، مثل السيارات الكهربائية ومحولات الطاقة الشمسية التي تولد حرارة كبيرة. في هذه الحالات، يجب أن تتبدد الحرارة بسرعة حتى لا ترتفع درجة حرارتها وتتسبب في تدهور الأداء على المدى الطويل.

مقاومة عالية للتآكل

يتمتع كربيد السيليكون بمقاومة استثنائية للتآكل في مختلف البيئات، خاصةً تلك التي تحتوي على مركبات حمضية، مما يجعله مادة مثالية للتطبيقات الصعبة مثل أدوات الكشط والقطع، والمواد الإنشائية (السترات الواقية من الرصاص/الدروع الواقية من الرصاص)، وقطع غيار السيارات ومانعات الصواعق.

وتكمن قوة كربيد السيليكون في بنيته البلورية التي تتكون من ذرات السيليكون والكربون المرتبطة بإحكام داخل بنية شبكية. علاوة على ذلك، تتميز هذه المادة بصلابة عالية في الكسر. وعلاوة على ذلك، يسمح لها الخمول الكيميائي بتحمل الظروف البيئية شديدة العدائية دون المساس بالقوة أو الموثوقية.

وتتعزز مقاومة كربيد السيليكون للتآكل بفضل الطبقة الواقية الكثيفة من ثاني أكسيد السيليكون التي تمنع الأكسجين من اختراق باطنه وتحميه من المواد الحمضية أو القاعدية التي قد تؤثر عليه.

كما أن خواص أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريضة في SiC تجعلها أكثر مقاومة للمجالات الكهربائية من السيليكون القياسي، مما يوفر أنظمة تحويل الطاقة مع تقليل فقد الطاقة وتعزيز كفاءة النظام.

تُعد SiC مادة ممتازة للتحكم في التوصيل الكهربائي من خلال التطعيم بذرات الألومنيوم أو البورون أو الغاليوم أو النيتروجين، مما يجعل توصيلها الكهربائي متغيرًا بسهولة وموصلية فائقة ممكنة من خلال إجراء المزيد من التعديلات - وهذا يجعلها مادة لا تقدر بثمن في الدوائر الإلكترونية مثل الثنائيات عالية الطاقة وأجهزة الاستشعار.

كاشطة للغاية

تم تصنيع كربيد السيليكون، وهو سيراميك غير أكسيد يتكون من السيليكون والكربون، لأول مرة صناعياً في عام 1891 على يد إدوارد جودريتش أتشيسون، ومنذ ذلك الحين أصبح مكوناً أساسياً في ورق الصنفرة وعجلات الطحن، وكذلك في صناعة البطانات الحرارية للأفران الصناعية وطلاء أدوات القطع. وفي الآونة الأخيرة تم استخدامه أيضًا في إنتاج ركائز أشباه الموصلات للصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED).

SiC هي أشباه موصلات ذات فجوة واسعة النطاق، مما يعني أنها تتطلب طاقة أكبر لتحويل الإلكترونات إلى نطاق التوصيل مقارنةً بالسيليكون (Si). وبسبب هذا الاختلاف، يمكن للسيليكون SiC التعامل مع مجالات كهربائية أعلى في الانهيار والتبديل بشكل أسرع - وهما متطلبان أساسيان لتطبيقات تحويل الطاقة الحديثة.

كما أظهر كربيد السيليكون المرتبط بالنتريد المرتبط بالنيتريد خصائص فائقة في مقاومة التآكل أثناء اختبارات التربة، متفوقًا على مواد الطبقة العليا الأخرى من خلال امتلاكه مؤشرات مقاومة تآكل أقل للتآكل من الفولاذ - أكبر بخمس مرات في ظروف التربة الثقيلة مقارنةً بالظروف المتوسطة والخفيفة؛ مما يشير إلى أنه قد يحل محل الفولاذ في معظم تطبيقات العمل في التربة؛ ولكن مقاومة التآكل الناتجة عن الصدمات تحد من استخدامه في تطبيقات حفر الخنادق أو الحفر.

صعب للغاية

كربيد السيليكون (SiC) هو أحد أقسى المواد المعروفة، حيث تبلغ صلابته 9 درجات صلابة موس، ولا ينافسه في الصلابة سوى الماس وكربيد البورون. وبسبب هذه الصلابة، يوفر كربيد السيليكون مقاومة ممتازة ضد التآكل والتآكل، مما يجعله مناسبًا للموانع الميكانيكية وأدوات القطع والتطبيقات الصناعية الأخرى ذات المستويات العالية من الإجهاد أو الضغط المادي.

وتُعد SiC موصلاً حرارياً ممتازاً، فهي قادرة على تحمل درجات الحرارة العالية مع الحفاظ على قوتها. وبالإضافة إلى مقاومته الكيميائية وقدراته على امتصاص النيوترونات، فإن SiC مادة مثالية للعديد من البيئات النووية والكيميائية القاسية.

غالبًا ما يُعتبر SiC منافسًا أدنى من نظيره كربيد البورون (B4C)، نظرًا لانخفاض توصيله الكهربائي. ويكمن هذا الاختلاف في المقام الأول في كون B4C مادة عازلة بينما SiC مادة شبه موصلة بالكامل.

إن المزيج الفريد من خصائص SiC جعلته مادة مفضلة للتطبيقات الهندسية عالية الأداء مثل فوهات الانفجارات ومكونات الأعاصير ومحامل المضخات. إن صلابة الكسر والإجهاد، والخمول الكيميائي، ومعامل التمدد الحراري المنخفض، ونقطة الانصهار العالية تمكنها من تحمل الظروف القاسية والمتطلبة دون أن تتشقق تحت الضغط.