Свойства и приложения на силициевия карбид

Силициевият карбид, по-известен със съкращението SiC, е един от най-твърдите синтетични материали на пазара днес и се използва широко в режещи инструменти поради своята твърдост, както и в огнеупорни материали поради своята устойчивост на висока температура и термичен шок. Той намира широко приложение и като материал за антикорозионно покритие в електрониката.

SiC е изключително трайно хексагонално химично съединение с полупроводникови свойства с широк диапазон на пропускане. Това позволява на SiC да издържа на по-високи електрически полета, докато работи с по-високи скорости.

Проводимост

Силициевият карбид в чистата си форма действа като електрически изолатор; обаче чрез добавяне на примеси или допанти (допанти се използват за добавяне на допанти, които променят електрическата му проводимост) поведението му се променя, за да стане полупроводников и евентуално отново полупроводников. При допиране с елементи като алуминий, бор, галий или съответно азот/фосфор (съответно p-тип или n-тип полупроводник).

Кристалната структура на силициевия карбид се състои от два първични координационни тетраедъра, съставени от четири силициеви и четири въглеродни атома, свързани помежду си, което създава силни електростатични взаимодействия, които отблъскват протони, електрони и неутрони от повърхността му и по този начин го правят устойчив на корозия от много химически агенти, като например киселини.

Отблъскването на носителите на заряд повишава и неговата топлопроводимост, което прави материала изключително топлоустойчив и подходящ за работа при по-високи температури. Тъй като толкова ефективно се противопоставя на носителите на заряд, керамиката може да се използва дори в бронежилетки, където куршумите не могат да проникнат през твърдата й структура от керамични блокове.

SiC има по-широка лента на пропускане от стандартните силициеви полупроводници, което означава, че може да поддържа по-високи напрежения и честоти, като същевременно се справя с по-големи енергийни натоварвания - важна характеристика за електрониката, която изисква работа с повече енергия при по-високи напрежения и честоти, като например електрическите превозни средства и компонентите на силовата електроника на космическите кораби.

Дълготрайност

Дълготрайността, твърдостта и устойчивостта на корозия на силициевия карбид го правят отличен материал за високопроизводителни инженерни приложения, като например лагери на помпи, клапани, инжектори за пясъкоструене или матрици за екструдиране. Освен това неговата здравина, химическа инертност и ниско термично разширение го правят подходящ за екстремни и високотемпературни инженерни приложения.

Силициевият карбид, по-често наричан "карборунд", се получава чрез комбиниране на силиций и въглерод, за да се образува здрава керамика с хексагонална структура. Благодарение на полупроводниковите си свойства с широка лентова междина силициевият карбид може да издържа на напрежения, 10 пъти по-големи от тези на силиция.

SiC се съдържа в естествен вид в моисанита, който е открит за първи път в метеоритния кратер Каньон Диабло в Аризона през 1893 г. По-често обаче този материал се произвежда синтетично като скъпоценни камъни и абразиви; обикновено в пещи за електрическо съпротивление, работещи при температури между 1700 и 2500 градуса по Целзий.

Elkem Processing Services (EPS), разположена в Лиеж, Белгия, използва реактивно синтероване, за да произвежда силициев карбид по точните спецификации на клиенти от цял свят. Това съоръжение разполага с най-новите технологични възможности за бързо производство на големи обеми SiC - както и за създаване на персонализирани смеси, пригодени специално за други употреби.

Устойчивост на корозия

Силициевият карбид е изключително твърд и устойчив на износване материал. Той запазва здравината си при високи температури, което го прави подходящ за приложения, изискващи значителна устойчивост на термични удари. Освен това устойчивостта му на корозия го прави подходящ за повечето киселини, основи и разтвори на разтопени соли.

Американският изобретател Едуард Ачесън открива силициевия карбид през 1891 г., докато търси начини за производство на изкуствени диаманти. За целта нагрява глина, смесена с кокс на прах, с помощта на обикновена въглеродна дъгова лампа и запалителна свещ, при което се получават яркозелени кристали с твърдост, близка до тази на диаманта, които по-късно стават известни като карборунд (SiC).

Съвременните производствени методи, използвани в абразивната, металургичната и огнеупорната промишленост, използват процеси, подобни на тези, разработени от Ачесън. Суровини като чист кварцов пясък и фино смлян въглерод под формата на кокс се поставят около въглероден проводник в тухлена пещ с електрическо съпротивление, през която преминава електрически ток; това предизвиква химическа реакция между въглерода в кокса и силиция в пясъка, при което се получава SiC.

Силициевият карбид притежава много желани характеристики и често се комбинира с други метали, за да се образуват композити с метална матрица (MMC). MMC съчетават здравината и издръжливостта на SiC с проводимостта на други метали. Освен това MMCs са много устойчиви на ерозионна корозия и увреждане от изпадане на оксиди.

Сила

Силициевият карбид, често наричан "карборунд", има невероятната твърдост по скалата на Моос от 9, което го прави по-твърд от диаманта и боровия карбид. Благодарение на своята здравина и издръжливост силициевият карбид е отличен избор на материал за приложения, вариращи от абразиви до бронежилетки - той притежава изключителна устойчивост на износване, като същевременно запазва твърдостта си дори при много високи температури; всъщност силициевият карбид е една от най-твърдите съвременни керамики.

Силициевият карбид е полупроводников материал, което означава, че електрическите токове или електромагнитните полета могат да променят проводимостта му, което го прави полезен в електронни устройства, които усилват, превключват или преобразуват сигнали в електрическа верига. Полупроводниците от силициев карбид имат по-голяма подвижност на електроните и по-ниски загуби на енергия в сравнение с техните силициеви аналози - което ги прави идеални за високоскоростни транзистори, диоди и FET.

Съвременното производство на силициев карбид за употреба в абразивната, металургичната и огнеупорната промишленост наподобява процеса на Ачесън: Смес от чист силициев пясък, смесен със ситно смлян коксов въглен, се събира около въглероден проводник на електрическа пещ; през този проводник преминава електричество, което стимулира химическата реакция между силиция и въглерода, при която се получава както силициев карбид, така и въглероден оксид; накрая гранулираният силициев карбид се смила до желания размер и плътност с помощта на специално оборудване.