ما هو كربيد السيليكون؟

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة صناعية شديدة الصلابة لها خصائص أشباه الموصلات والسيراميك على حد سواء. لا توجد هذه المادة بشكل طبيعي إلا في معادن المويسانيت، وتتميز SiC بهياكل متقاربة تتكون من أربع ذرات Si مرتبطة بأربع ذرات كربون في رباعي الأوجه التي تشكل بنيتها؛ وهناك أنواع أخرى متعددة لها خصائص وأشكال فيزيائية مختلفة.

يستخدم مطاط السيليكون في مكابح وقوابض السيارات ويمكنه تحمل درجات الحرارة العالية. وعلاوة على ذلك، غالباً ما يُستخدم كجزء من حماية الدروع الواقية من الرصاص.

يُستخدم في صناعة الدروع الواقية من الرصاص

غالبًا ما يُستخدم كربيد السيليكون في الدروع الواقية من الرصاص نظرًا لمقاومته الممتازة للمقذوفات ومقاومته للحرارة/البيئة. ينطوي تصنيع الدروع الواقية للبدن على اختبارات صارمة لتقييم قدراتها الباليستية - وغالباً ما يشمل ذلك إطلاق أنواع مختلفة من المقذوفات بسرعات مختلفة لفحص ما إذا كان الدرع قادراً على إيقافها بفعالية.

يبرز كربيد السيليكون كواحد من أصلب المواد المتاحة، بينما يمتلك أيضًا خصائص مفيدة أخرى تجعله مادة ممتازة لتطبيقات الدروع الواقية للبدن. وتشمل هذه الخصائص التمدد الحراري المنخفض، والمقاومة الكيميائية الممتازة والصلابة والصلابة الفائقة - وهي خصائص ضرورية لتصميم الدروع الواقية للبدن الفعالة التي يجب أن تتحمل الصدمات والظروف البيئية.

الكاربوروندوم (SiC) هو مركب شديد الصلابة يتم إنتاجه صناعياً من السيليكون والكربون مع معدل صلابة بمقياس موس 9. وقد استخدم منذ فترة طويلة كمادة كاشطة في ورق الصنفرة وعجلات الطحن، وفي بطانات الأفران الصناعية وأدوات القطع وبطانات البطانات المقاومة للحرارة؛ وعلاوة على ذلك فإنه يستخدم في التطبيقات المعدنية وكذلك في ركائز أشباه الموصلات للصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED).

إنها أشباه موصلات

تُعد أشباه موصلات كربيد السيليكون خيارًا شائعًا في الأجهزة الإلكترونية التي تعمل في درجات حرارة أو فولتية عالية، مثل تلك التي تعمل تحت ظروف إجهاد شديدة. وهي مخدرة بالنيتروجين أو الفوسفور أو الألومنيوم لتكوين أشباه موصلات من النوع n أو p حسب الاستخدام؛ بالإضافة إلى أنها مقاومة للغاية للأحماض العضوية وغير العضوية والقلويات والأملاح والمذيبات - فضلاً عن كونها قابلة للتخدير.

يمكن إنتاج SiC عن طريق تفاعل مسحوق SiC مع الكربون المنصهر أو السيليكون الغازي وتسخين الخليط، قبل إجراء المزيد من التكرير لصنع رقائق كبيرة أحادية البلورة لتطبيقات الإلكترونيات المتقدمة. تُعد SiC بديلاً ممتازًا لمواد السيليكون في إلكترونيات الطاقة نظرًا لفجوة الطاقة الواسعة في فجوة النطاق التي تساعد على تقليل خسائر الجهاز مع السماح في الوقت نفسه بترددات تبديل أعلى.

تشمل الخصائص المادية التي تجعل من الزجاج مادة ممتازة للمرايا في علم الفلك صلابته ومعامل التمدد الحراري المنخفض ومقاومته للحرارة. ونظراً لقساوته وصلابته فإنه يعد خياراً ممتازاً لإطارات التلسكوبات الفضائية؛ كما يستخدم على نطاق واسع كإطارات للتلسكوبات الفضائية نفسها. يستخدم السيراميك الزجاج لمتانته حيث أنه غالباً ما يوجد كأجزاء مقاومة للتآكل في المنتجات الخزفية؛ بالإضافة إلى أنه يُستخدم كركائز للطباعة الحجرية نظراً لانخفاض معامل التمدد الحراري.

إنها مادة صلبة

كربيد السيليكون، الذي يشار إليه بشكل أكثر شيوعًا باسم كاربوروندوم أو SiC، هو مركب تساهمي مصنوع من السيليكون والكربون مع معدل صلابة موس 9. وهو يمتلك صلابة استثنائية ومقاومة للحرارة والتوصيل الكهربائي وخصائص الكشط والروابط الخزفية الصلبة المناسبة لمكابح وقوابض السيارات، وألواح السيراميك الواقية من الرصاص المدمجة بألواح السيراميك وكذلك الأجهزة الإلكترونية شبه الموصلة التي تعمل تحت درجات حرارة وفولتية عالية. ويستخدم كربيد السيليكون أيضاً كمادة كاشطة.

مقاومة الهجوم الكيميائي وعدم الذوبان. لا يذيبها الماء والكحول ومعظم الأحماض والأملاح، في حين أن مقاومتها للأكسدة والزحف والتآكل وغيرها من التأثيرات استثنائية.

إن قوة كربيد السيليكون العالية في درجات الحرارة العالية تجعله مادة ممتازة للاستخدام كحراريات في البيئات القاسية، مثل المفاعلات النووية وصناعة الصلب وإنتاج السيراميك. وعلاوة على ذلك، فإن معدل التمدد الحراري المنخفض ومقاومته للتفاعلات الكيميائية يجعله مناسبًا لتطبيقات العزل؛ وعلاوة على ذلك، فقد أصبح مكونًا أساسيًا في عمليات إنتاج بطاريات السيارات الكهربائية المتقدمة، مما يلغي أنظمة التبريد النشطة التي من شأنها أن تضيف وزنًا وتكلفة وتعقيدًا للمركبات.

إنه كاشط

يُستخدم كربيد السيليكون منذ فترة طويلة كمادة كاشطة. متانته تجعله مثاليًا لطحن المعادن مثل الفولاذ والألومنيوم، مع معامل تمدد حراري منخفض وخصائص مقاومة ممتازة للتآكل.

تُعرف هذه المادة الكاشطة الملتصقة المعروفة باسم اللف، وتستخدم على نطاق واسع في صناعة الإلكترونيات. وهي مفيدة بشكل خاص في تلميع نهايات خيوط الألياف الضوئية قبل ربطها؛ وتضمن هذه العملية التشغيل السليم لأي وصلات مستقبلية. وعادةً ما تحمل المواد الكاشطة الملتصقة رموزًا تشير إلى تركيبها: على سبيل المثال "A" يمثل أكسيد الألومنيوم بينما يشير الحرف "C" إلى كربيد السيليكون.

تم اكتشاف كربيد السيليكون (يُشار إليه أيضًا باسم كاربوروندوم أو كاربوروندوم) لأول مرة في عام 1891 على يد البنسلفاني إدوارد أتشيسون وسرعان ما اكتسب لقب المادة الاصطناعية الأكثر صلابة حتى عام 1929 عندما تم تطوير كربيد البورون (BCC). يمكن تقسيم الكاربوروندوم إلى ثلاث فئات رئيسية؛ شديدة الصلابة بمقياس موس 9؛ وكان يُعتبر أقسى المواد الاصطناعية حتى ذلك الحين! وتشمل الاستخدامات الشائعة لكربيد السيليكون المواد الكاشطة الصناعية مثل المسحوق الصناعي لاستخدامه كمادة كاشطة صناعية؛ وتطبيقات السيراميك الإنشائية مثل مكابح/مفاتيح السيارات؛ وألواح السترات الواقية من الرصاص.

إنه سيراميك

كربيد السيليكون هو مادة بلورية فائقة الصلابة تتكون من كل من السيليكون والكربون، مما يجعلها واحدة من أقسى المواد التي عرفتها البشرية إلى جانب الماس وكربيد البورون. يتميز كربيد السيليكون بخصائص كاشطة وأشباه الموصلات. وبما أنه يتميز بالصلابة الشديدة، ومقاومة التآكل، ومقاومة الصدمات الحرارية والاستقرار الكيميائي، فإنه يشكل مادة لا تقدر بثمن. تُعد كربيد السيليكون واحدة من أصلب ثلاث مواد معروفة - إلى جانب الماس وكربيد البورون.

يتميز كربيد السيليكون من بين السيراميك بأنه شديد الصلابة والمتانة، وقادر على تحمل درجات الحرارة العالية والتيارات الكهربائية دون أن يتعرض للتلف. وعلاوة على ذلك، تشمل مقاومته الكيميائية مقاومته للأحماض والقلويات، بينما يقاوم التآكل في معظم البيئات.

كربيد السيليكون هو مادة غير عضوية يتم تصنيعها عادةً صناعياً؛ ومع ذلك، يمكن أن توجد أشكال نادرة تسمى المويسانيت بشكل طبيعي. ويتبع الكثير من كربيد السيليكون المنتج اليوم عملية اكتشفها لأول مرة إدوارد غودريتش أتشيسون في عام 1893 أثناء بحثه عن طرق إنتاج الماس الاصطناعي. وتتضمن طريقته خلط السيليكا وفحم الكوك معاً قبل تسخينهما إلى درجات حرارة عالية قبل إنتاج بلورات كربيد السيليكون.