Hvad er siliciumcarbid?

Siliciumkarbid er en hård, kovalent bundet forbindelse af silicium og kulstof, der ofte fremstilles som enten pulver eller faste masser til anvendelser, der kræver høj holdbarhed, såsom bilbremser, koblinger og keramiske plader, der anvendes i skudsikre veste.

Molmassen beregnes ud fra stoffets kemiske formel og grundstofferne i det periodiske system for at angive dets relative vægt, hvilket ofte anvendes i produktionen af ædelstene.

1. Atomvægt

Siliciumkarbid (også kaldet carborundum) er en uorganisk kemisk forbindelse bestående af fast silicium og kulstof. Det blev første gang fremstillet i 1891 af Edward Goodrich Acheson ved at opvarme ler (aluminiumsilikat) og pulveriseret koks (kulstof) sammen. Når det er fremstillet, krystalliserer det som gule til grønne til blå-sorte ikke-metalliske krystaller, der nedbrydes ved sublimering ved 2700 °C; dets massefylde er 3,21 g/cm³, og det er uopløseligt i vand, men opløseligt i baser eller jern.

Kommercielt fremstilles og anvendes granulære produkter af sintret silica oftest som slibemiddel eller råmateriale til industrielle ovne. En værdi på 9 på Mohs-skalaen indikerer dets ekstremt hårde sammensætning som et ekstremt hårdt materiale, der udviser fremragende smelteegenskaber med lave termiske udvidelseskoefficienter, fremragende elektrisk ledningsevne som halvleder, stærk korrosions- og slidstyrke med fremragende udmattelsesmodstand samt stærke slagfasthedsegenskaber.

Som et af de første masseproducerede slibemidler fra 1893 har siliciumkarbid længe været anvendt som et effektivt slibemiddel. På grund af sin hårdhed anvendes det i vid udstrækning i skæreværktøjer og keramiske plader til skudsikre veste; det bruges desuden i elektroniske anvendelser såsom lysdioder og detektorer, som man fandt i de tidlige radioer. Naturligt forekommende moissanit kan også findes i visse meteorit- eller korundforekomster, men det meste siliciumkarbid, der sælges i dag, er syntetisk fremstillet.

Asbeststøv har en lav toksikologisk profil og bør ikke udgøre en væsentlig sundhedsrisiko, når det indåndes af mennesker, selvom det hos nogle udsatte arbejdstagere kan forårsage irritation og medføre luftvejssymptomer; det har endda vist sig at påvirke forekomsten af indåndingstuberkulose; det er dog ikke kendt for at være mutagent; påvirke forløbet af bronkitis, men ikke astma eller kronisk obstruktiv lungesygdom, og kræver ikke særlige bortskaffelsesmetoder eller særlige opbevaringsbetingelser (men skal holdes tørt, når det opbevares væk fra vand), hvilket kræver korrekt opbevaring, hvis det ikke skal komme i direkte kontakt med vand;

2. Tæthed

Siliciumkarbid er en hård kemisk forbindelse bestående af silicium og kulstof, der forekommer naturligt som det meget sjældne mineral moissanit, men som siden 1893 er blevet masseproduceret til brug som slibemiddel. Derudover kan dette hårde stof smeltes sammen ved hjælp af sintringsteknologi til at danne hård keramik til anvendelser, der kræver stor holdbarhed, såsom bremseskiver til biler eller skudsikre veste; skæreværktøjer fremstillet af dette materiale samt andet udstyr, der er designet til at modstå ekstreme temperaturer, fremstilles ligeledes ved hjælp af dette materiale.

Siliciumkarbids atomstruktur er tætpakket, hvor hvert silicium- og kulstofatom er kovalent bundet til tre andre atomer via kovalente bindinger. Denne opbygning skaber et fascinerende halvleder med interessante elektriske egenskaber; modstanden varierer alt efter sammensætningen med op til syv størrelsesordener. Siliciumkarbid er ikke-brændbart og ikke-reaktivt; det er dog opløseligt i baser såsom NaOH/KOH samt i jern; det forbliver dog uopløseligt i vand.

Siliciumkarbid har en molekylvægt på 3,21 g cm⁻³ og forekommer som et mørkegråt til sort krystallinsk stof med blanke overflader, lav termisk udvidelse og fremragende ledningsevne. Det har et smeltepunkt på 2700 °C og kan let smeltes.

Takket være sin tætte sammensætning og vigtige egenskaber kan epoxy anvendes i mange krævende anvendelsesområder. Typiske eksempler er 3D-print, energiteknologi, papirproduktion og som slibemidler. Desuden kan epoxy anvendes i dynamisk tætningsteknologi, der benytter friktionslejer eller mekaniske tætninger (til pumper eller drivsystemer).

Siliciumkarbid har mange anvendelsesmuligheder på grund af sin tætte sammensætning og evne til at modstå ekstreme temperaturer. Dets termiske udvidelseskoefficient er generelt lavere end for de fleste metaller, hvilket gør det muligt at anvende det i meget varme miljøer. Desuden kan det på grund af sin styrke også anvendes til fremstilling af tungt industrielt udstyr og maskiner. Der findes toksikologisk sikre bortskaffelsesmetoder – dog kan det støv, der dannes under bearbejdning eller slibning, irritere øjnene eller luftvejene, mens langvarig eksponering kan føre til lungefibrose.

3. Vægtfylde

Siliciumkarbid har en vægtfylde på 3,2 g/cm³. Det udviser høje sublimeringstemperaturer og er uigennemtrængeligt ved normalt tryk, hvilket gør det velegnet til lejeanvendelser ved høje temperaturer. På grund af dets høje smeltepunkt og fremragende styrkeegenskaber er støbematerialer af siliciumkarbid meget udbredt. Desuden har siliciumkarbid også fremragende varmeledningsevne samt gode egenskaber med hensyn til gennemslagsstyrke ved elektriske felter, hvilket gør det velegnet som halvledermateriale.

Edward Acheson blev i 1891 den første videnskabsmand, der kunstigt fremstillede siliciumkarbid ved at opvarme en blanding af ler og pulveriseret koks i en jernskål, hvor han anvendte en almindelig kulbuepære som elektroder. Acheson opdagede derefter lysegrønne krystaller med en betydelig hårdhed, der mindede om diamant; Acheson gav denne nye forbindelse tilnavnet carborundum på grund af dens lighed med naturlige former for aluminiumoxid, kendt som korund-mineralforekomster.

Siden den kommercielle produktion efter Achesons metode i 1904 er siliciumkarbidkrystaller blevet fremstillet kommercielt ved hjælp af forskellige processer. For eksempel kan opløsning i smeltet aluminium danne aluminiumoxid, mens opvarmning af silica sammen med kulstof i en elektrisk ovn har ført til, at silica opvarmes, indtil der sker kulstofudfældning, hvorefter det formales til pulver til brug som industrielle slibemidler.

Siliciumkarbid er hurtigt blevet et af de mest anvendte materialer. Det udgør en integreret del af slibeskiver og andre slibeprodukter, såsom papir- og tekstilprodukter med slibemidler, samt til fremstilling af højtemperatursten og ildfaste materialer, og har en Mohs-hårdhed, der kan sammenlignes med diamant. Desuden gør dets brudegenskaber det velegnet til bearbejdningsopgaver, der kræver høj styrke.

Siliciumkarbid krystalliserer til en ekstremt tætpakket struktur bestående af kovalent bundne silicium- og kulstofatomer, der er arrangeret i to primære koordinationstetraedre, som hver består af fire silicium- og fire kulstofatomer, der er bundet til hinanden. Disse tetraedre kan stables eller orienteres på forskellige måder for at danne polytyper med forskellige elektroniske båndgaps; hver type udviser sin egen stabelsekvens af tetraederne, hvilket resulterer i forskellige kemiske og fysiske egenskaber.

4. Smeltepunkt

SiC’s smeltepunkt er 2.730 °C. Det forekommer typisk som en gulgrøn til blålig-sort krystallinsk forbindelse med en gennemsnitlig massefylde på 3,21 g/cm³. Rent SiC er uopløseligt i vand, men opløses i stærke baser såsom NaOH og KOH samt i smeltet jern. Desuden forbliver SiC uopløseligt i stærke syrer som f.eks. flussyre, som vil opløse det fuldstændigt.

Siliciumkarbids krystalstruktur er tetraedrisk, hvor hvert siliciumatom er bundet til fire kulstofatomer i et sammenflettet mønster, der kaldes den tetraedriske bindingskonfiguration. Denne unikke bindingskonfiguration giver siliciumkarbid en uovertruffen hårdhed, der kan sammenlignes med diamanters. Siliciumkarbid findes i forskellige polytyper eller former med forskellige krystalstrukturer og egenskaber, som kan inddeles i alfa- og beta-grupper; en alfa-form (a-SiC) dannes ved højere temperaturer med sekskantede krystalstrukturer, mens beta-former (b-SiC) dannes ved lavere temperaturer og har zinkblende-lignende krystalstrukturer, der ligner diamanter.

Siliciumkarbid blev først fremstillet af den amerikanske opfinder Edward G. Acheson i 1891. Acheson opvarmede en blanding af ler og pulveriseret koks i en jernskål, mens han anvendte både denne blanding og en almindelig kulbue som elektroder; da eksperimentet var afsluttet, observerede han lysegrønne krystaller med en hårdhed, der kunne sammenlignes med diamanter, fastgjort til den ene elektrode i denne kulbue; Acheson navngav dette nye stof Carborundum efter det latinske ord for “aluminiumoxid”, som er dets naturlige mineralform – og ansøgte dermed om et amerikansk patent på det i 1892.

Siliciumkarbid har mange anvendelsesmuligheder på tværs af en lang række brancher, lige fra smeltning af ikke-jernholdige metaller og glas, produktion af floatglas, varmebehandling af stål og støbejern, fremstilling af keramik og elektronikkomponenter, hvor de korrosionsbestandige egenskaber er særligt værdifulde i miljøer med høje temperaturer og højt tryk – som det ses i bilbremser og -koblinger samt i skudsikre veste, hvor materialet anvendes. Siliciumkarbid er fortsat et af de hårdeste avancerede keramiske materialer, der anvendes i dag, med enestående korrosionsbestandighed, hvilket gør det velegnet til smeltning af ikke-jernholdige metaller og glas samt til anvendelse i miljøer med høje temperaturer og højt tryk.