مادة كربيد السيليكون

كربيد السيليكون (SiC) هو أحد أكثر المواد صلابة، ويأتي في المرتبة الثانية بعد الماس. ونظراً لخصائصه الاستثنائية من حيث القوة ومقاومة التآكل، فإن كربيد السيليكون يعتبر مرشحاً مثالياً في تطبيقات مثل المواد الكاشطة والحراريات.

يوجد SiC بشكل طبيعي في معادن المويسانيت، ويتم تصنيعه صناعياً من قبل شركات مثل Blasch ULTRON الملبد SiC. يوفر SiC العديد من المزايا مقارنةً بمواد السيراميك الأخرى، بما في ذلك:.

مقاومة درجات الحرارة العالية

كربيد السيليكون هو سيراميك غير أكسيد يستخدم في التطبيقات التي تتطلب أداءً حراريًا وميكانيكيًا عاليًا، مثل الأجزاء المقاومة للتآكل في الآلات الصناعية والطلاءات المقاومة للتآكل للأفران. وعلاوةً على ذلك، فإن التركيب الكيميائي لكربيد السيليكون يمكّنه من تحمل درجات الحرارة القصوى.

ونظرًا لصغر حجم جزيئاته البالغة الصغر وتعبئتها بإحكام، فإن البوليميد يتميز بمعدل تمدد حراري منخفض للغاية؛ مما يؤدي بالتالي إلى خصائص مقاومة حرارية عالية في تركيبته.

ونظرًا لقدرته على مقاومة التآكل والتفاعلات الكيميائية الأخرى في درجات الحرارة العالية التي عادةً ما تتلف أنواع السيراميك الأخرى، فإنه كثيرًا ما يستخدم في تطبيقات المعالجة الكيميائية - على سبيل المثال المبادلات الحرارية الملحومة التي تتعامل مع الخلائط الحمضية أو القلوية العالية في درجات حرارة معالجة مرتفعة. وهذا يجعلها مثالية لتطبيقات المعالجة الكيميائية التي تنطوي على استخدام درجات حرارة عالية للمعالجة مثل تلك التي تواجهها عند معالجة الخلائط الحمضية أو القلوية العالية مثل تلك الموجودة في المفاعلات الكيميائية.

يعتبر SiC مثاليًا أيضًا للاستخدام في تطبيقات النفط والغاز، مثل الصمامات الدوارة أو الشفاه المعرضة لمستويات عالية من التلوث والتآكل والتآكل. غالبًا ما تستخدم محامل وموانع التسرب الميكانيكية من SiC عند ضخ وسائط عالية الكشط أو التآكل من خلال أنظمة الضخ مثل تلك الموجودة في مضخات تصريف الخزانات أو لفوهات التفجير مع وسائط التفجير مثل مخاليط حمأة الزيت التي تحتوي على مخاليط حمأة الزيت أو وسائط التفجير مثل وسائط التفجير التي تحتوي على حصى الرمل.

إن فجوة النطاق الواسعة لكربيد السيليكون تجعله مناسبًا بشكل خاص للتطبيقات الإلكترونية، مما يقلل من الطاقة اللازمة لنقل الإلكترونات بين نطاقات التكافؤ والتوصيل الخاصة به، وهو ما يحدد ما إذا كان يعمل كعازل أو موصل أو شبه موصل. ويصبح كربيد السيليكون شبه موصل عند إضافة مواد منشّطة مثل البورون والألومنيوم كمواد منشّطة إلى تركيبته المادية.

إن فجوة النطاق الواسعة التي يتميز بها كربيد السيليكون تجعله خيارًا جذابًا من المواد لترانزستورات الطاقة عالية الأداء. ويمكنها تحمل الفولتية الأعلى قبل أن تتعطل، مما يؤدي إلى أجهزة أصغر حجماً مع زيادة الكفاءة التي تحافظ على الطاقة - ويمكن أن تلعب هذه الخاصية دوراً خاصاً في السيارات الكهربائية حيث قد تكون متطلبات الكفاءة كبيرة بشكل خاص.

مقاومة التآكل

كربيد السيليكون هو مادة خاملة كيميائياً مع مقاومة ممتازة للتآكل. ويمكنه تحمل التعرض للأحماض غير العضوية (الهيدروكلوريك والكبريت والهيدروفلوريك) والقلويات والأملاح وكذلك محاليل حمض الكبريتيك المركزة (حمض الخليك والكلور)، من بين عوامل مؤكسدة أخرى مثل محاليل حمض الكبريتيك المركزة أو تركيز غاز الكلور. يُستخدم كربيد السيليكون في تصنيع الفولاذ والمعادن وكذلك إنتاج السيراميك وإنتاج الزجاج، وعمليات تصنيع معدات الأفران عالية الحرارة أو عمليات تصنيع معدات الأفران عالية الحرارة.

هناك مجموعة شاملة من درجات كربيد السيليكون الصناعية المتاحة، بدءًا من الحبيبات الدقيقة إلى الحبيبات الخشنة بأحجام حبيبات تصل إلى 1.5 مم. وتشمل طرق الإنتاج الخاصة بها إنتاج كربيد السيليكون المرتبط بالتفاعل وكربيد السيليكون الملبد وكربيد السيليكون المرتبط بالنتريد. وتوفر جميعها مقاومة ممتازة للتآكل بالإضافة إلى الاحتفاظ بالقوة على المدى الطويل في درجات حرارة عالية جدًا.

يتم إنتاج كربيد السيليكون المرتبط بالتفاعل من خلال تسريب خليط من مسحوق كربيد السيليكون والسيليكون السائل في جهاز إنفوسر، مما يؤدي إلى تكوين كربيد السيليكون البلوري. وبمجرد أن يتم إنشاء هذا المنتج، يمكن بعد ذلك نترته عن طريق تفاعله مع مسحوق السيليكون المعدني في جو من النيتروجين، مما ينتج عنه نيتريدات وأكاسيد على مستوى السطح تنتج هياكل جديدة على سطحه.

وتتميز هذه الطريقة بميزة إضافية تتمثل في أن مكوناتها معبأة بإحكام معًا، مما يخلق حاجزًا قويًا بشكل استثنائي ضد انتشار الأكسجين في بنيتها البلورية الأساسية. ونتيجة لذلك، على الرغم من وجود تركيزات عالية من السيليكون الحر على أسطحها، تظل معدلات التآكل منخفضة للغاية.

تُعد نيتريدات وأكاسيد كربيد السيليكون مواد كثيفة، مما يخلق سطحًا شديد الصلابة والقوة يقاوم التلف الميكانيكي، مما يساهم بشكل كبير في مقاومته العالية للتآكل بالإضافة إلى صلابته الاستثنائية ومقاومته للتآكل وقوة إجهاده.

إن مقاومة التآكل لدرجات SIC ذات الحبيبات الخشنة المنتجة بالتلبيد بدون ضغط مثيرة للإعجاب بشكل خاص، وتظهر اختبارات 3PB هذه الظاهرة بوضوح مثير للإعجاب. حتى بعد تعريضها للكلور المنصهر لفترات طويلة، تظل قوتها ثابتة تقريبًا على مدى فترات طويلة - وهي ميزة مذهلة في أي عدد من التطبيقات.

قوة عالية

كربيد السيليكون (SiC) هو أحد أقوى المواد التي عرفها الإنسان، ويأتي في المرتبة الثانية بعد الماس. ويُستخدم كربيد السيليكون على نطاق واسع في المواد الكاشطة والأجزاء المقاومة للتآكل بسبب صلابته؛ وفي الحراريات والسيراميك بسبب مقاومته للحرارة وانخفاض تمدده الحراري؛ وكذلك في الإلكترونيات بسبب خصائصه الكهربائية.

السيراميك عالي الحرارة مقاوم للحرارة العالية ومقاوم للمواد الكيميائية في البيئات ذات درجات الحرارة العالية، مما يجعله مناسبًا لبطانات الأفران وتطبيقات عزل دوّار التوربينات الغازية. على الرغم من أن السيراميك غير قابل للذوبان في الماء والكحول، إلا أنه يتحمل هجمات معظم الأحماض العضوية والقلويات والأملاح المنصهرة حتى 1600 درجة مئوية دون أن يذوب. وبفضل الموصلية الحرارية العالية ومعامل التمدد المنخفض للغاية، فإنه يُعد مادة عازلة مثالية.

تكمن قوة SiC في بنيتها متعددة الطبقات، والتي يمكن أن تتخذ أشكالاً أو أنواعاً متعددة. تتكون كل طبقة من أربع ذرات كربون وسيليكون مرتبطة تساهميًا في تكوين رباعي الأوجه. وترتبط زواياها معًا في مجموعة من الاتجاهات التي تولد أنماطًا متعددة فريدة من نوعها، ويزيد ترابطها المحكم من قوتها بشكل كبير.

تتميز مادة كربيد السيليكون الملبد بكثافة عالية، ولكن درجات الحرارة العالية المستخدمة يمكن أن تؤدي في بعض الأحيان إلى مشاكل في نمو العنق والتكثيف. ولذلك، لإنتاج هذه المادة بفعالية أكبر، غالبًا ما يتم استخدام الترابط التفاعلي؛ حيث يتم دمج مسحوق السيليكا أو خليط رمل الكوارتز مع مسحوق كربيد السيليكون النقي 10-50% قبل أن يتم حرقه تحت ضغط منخفض في مكبس خاص للقضاء على تبخر SiO2 مع الحد من نمو العنق.

كما يمكن أن ينتج النيتريد الحراري الخارجي للتشكيل الذي يزيد حجمه بحوالي 3% عن المكون النهائي سيليكون يحتفظ بقوته في درجات حرارة أعلى، مما يتيح إنتاج أجزاء بسماكات مختلفة للجدار مع الحفاظ على السلامة الهيكلية للأجزاء.

يجعل أداء كربيد السيليكون في درجات الحرارة العالية من كربيد السيليكون خيارًا جذابًا للمواد للتطبيقات التي تتضمن عناصر التسخين المقاومة في الأفران الكهربائية، ودعامات صينية الرقائق والمجاذيف لأفران أشباه الموصلات، وخصائص العزل الكهربائي للثرمستورات والمتغيرات والمواد الكاشطة وكذلك خيوط اللحام المقاومة للحام.

كثافة عالية

ويتميز كربيد السيليكون بكثافة عالية للغاية تبلغ حوالي 3.21 جم/سم3، وتشكل بنيته البلورية الكثيفة روابط جزيئية مترابطة بين الذرات التي تربطها تساهمياً. على الرغم من عدم قابليته للذوبان في الماء والكحول، إلا أن كربيد السيليكون يقاوم معظم الأحماض العضوية والأملاح غير العضوية مثل أحماض الفوسفوريك والنتريك والكبريت والهيدروكلوريك وكذلك الصدمات الحرارية والتعرض للإشعاع.

يمتاز الكلس النقي الملبد بمعامل يونج عالٍ للغاية يزيد عن 400 جيجا باسكال وثبات جيد في الأبعاد عند تلبيده، بالإضافة إلى توصيل حراري ممتاز، ومعدلات تمدد حراري منخفضة، ومقاومة للتآكل والتآكل والتآكل، ومقاومة لدرجات حرارة تصل إلى 1600 درجة مئوية دون فقدان القوة؛ ويعني نقاؤه الكيميائي أنه يتحمل معظم الأحماض والليزرات (باستثناء حمض الهيدروفلوريك).

يتميز سيراميك كربيد السيليكون بنقائه الكيميائي ومقاومته للحرارة وخصائص الانزلاق الجيدة وعدم وجود شوائب حدية حبيبية مما يجعله مناسبًا لتطبيقات مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد والمقذوفات وإنتاج الورق. إن خواص الانزلاق الممتازة وغياب الشوائب الحبيبية الحدودية تجعل سيراميك كربيد السيليكون مناسبًا بشكل خاص للتطبيقات عالية الطلب مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد والمقذوفات بالإضافة إلى كونه مكونات في المصانع الكيميائية أو تكنولوجيا الطاقة أو مصانع إنتاج الورق. وغالبًا ما يكون سيراميك كربيد السيليكون هو المادة المفضلة عندما يجب أن تعمل المكونات في بيئات عالية الميكانيكية والمتطلبة حراريًا مثل محامل ألواح التآكل الكاشطة كحراريات أو سيراميك السيراميك - وهذا يجعل سيراميك كربيد السيليكون خيارًا ممتازًا للمواد!

ونظرًا لمقاومتها الفائقة للتآكل والتآكل، فإن المواد المصنوعة من الكربيد تُعد خيارًا مثاليًا للاستخدام في أدوات القطع، بالإضافة إلى توفير تطبيقات مخصصة من خلال تغيير محتوى السيليكون أو مستويات محتوى الكربون لتلبية احتياجات تطبيقات محددة. وتتوفر مجموعة من الدرجات التي يمكن أن تلبي متطلبات تطبيقات محددة من خلال تكييف خصائص مثل محتوى السيليكون أو محتوى الكربون وفقًا لذلك.

غالبًا ما يستخدم كربيد السيليكون كمادة كاشطة، حيث يتم إنتاج بلورات مفردة تشبه الرقائق عن طريق عملية ليلي أو مساحيق من 3 إلى 10 ميكرون للاستخدام في التطبيقات الصناعية المختلفة مثل الطحن والشحذ والسفع الرملي.