Hvad er sammensætningen af siliciumcarbid?

Siliciumcarbid (SiC) er en ekstremt hård og robust kemisk forbindelse bestående af silicium og kulstof, der har halvlederegenskaber med bredt båndgab til brug i elektroniske enheder med høj temperatur og spænding.

SiC findes naturligt som et mineral kendt som moissanit og blev første gang masseproduceret som slibemiddel i 1893. Siden da er det blevet en ekstremt holdbar keramik, der bruges i mange sammenhænge fra bilbremser og koblinger til skudsikre veste.

Karakteristika

Siliciumcarbid er en inert forbindelse bestående af silicium og kulstof, som har den kemiske egenskab at være inert og hård. Når det dopes med nitrogen, fosfor eller gallium, dannes der halvledere. Når det krystalliseres, danner det tætpakkede strukturer, hvor hvert atom danner fire kulstof/silicium-tetraedre, der danner kovalente bindinger med hinanden og danner fire kubiske strukturer af kovalent bundne silicium/kulstof-tetraedre, der er kovalent forbundet med kovalente bindinger.

SiC er et ekstremt hårdt og holdbart materiale med fremragende elektriske egenskaber, der gør det velegnet til komponenter, der arbejder ved høje temperaturer og frekvenser uden at gå på kompromis med pålideligheden, f.eks. transistorer og Schottky-dioder.

Edward Acheson fremstillede kunstigt siliciumcarbid for første gang i 1891 ved et uheld, da han opvarmede en blanding af kulstof og silica i en elektrisk ovn og fremstillede sorte diamantlignende krystaller, der lignede diamanter. Senere observeret naturligt på Canyon Diablo-meteoritstedet i Arizona af Henri Moissan, som gav stoffet navnet moissanit.

Industrielt kan siliciumcarbid fremstilles enten gennem reaktionsbinding eller sintringsprocesser; begge metoder har betydelig indflydelse på den endelige mikrostruktur. Reaktionsbundet SiC kan skabes ved at infiltrere kompakter bestående af siliciumcarbid og kulstof med flydende silicium; dette får mere SiC til at binde sig til de oprindelige partikler gennem kemisk reaktion. Sintring involverer presning af pulveriseret SiC i barrer, indtil der dannes et ureageret lag mellem to reagerede lag; derefter presses de igen, hvilket skaber lag a-SiC og b-SiC med ureagerede lag mellem dem som følge af presning af pulveriserede SiC-barrer; dette skaber lag a-SiC og b-SiC med ureagerede lag mellem dem med et ureageret lag imellem dem, i modsætning til reaktionsbundet SiC, med ureagerede lag mellem to infill-bonding-metoder, der producerer SiC-barrer dannet ved at presse pulveriseret SiC barrer fra presse pulveriseret SiC til barrer skabt via presning af pulveriseret SiC til barrer, hvor der dannes lag af begge lag (a-SiC og b-SiC med ureagerede lag imellem). Sintring involverer presning af pulveriseret SiC til ingots, hvor der dannes lag (a-SiC og et ureageret lag imellem).

Sundheds- og sikkerhedsrisici forårsaget af støv og fibre, der dannes under forarbejdningen, er det primære problem med hårde materialer som grafit. De kan irritere øjne og hud, forårsage luftvejssygdomme som lungefibrose eller bidrage til kræftsvulster.

Ejendomme

Siliciumcarbid i ren form har en fremragende kemikalie- og varmebestandighed, hvilket gør det velegnet til slibning af hårde metaller som dem, der findes i moderne metalbearbejdning. På grund af sin meget slibende overflade er siliciumcarbid også et populært slibemiddel i moderne lapidararbejde, da det både er holdbart og relativt billigt. Siliciumcarbid bruges også som varmeelementer i industriovne og som slidstærke dele i maskiner som knusere og pumper samt som halvledersubstrater til lysdioder (LED).

Siliciumcarbid kan dannes i forskellige polymorfer ved at kontrollere reaktionstemperaturen og dannelsesprocessen, hvor alfa-siliciumcarbid (a-SiC) har en hexagonal krystalstruktur, der ligner Wurtzite. I mellemtiden har beta-siliciumcarbid (b-SiC) en zinkblende-krystalstruktur, der ligner diamant. Endelig anses tetraedrisk siliciumcarbid (TiC), der har høj spændingsmodstand, men kun fremstilles i små mængder, for at være den mest udfordrende af dem alle.

Rent SiC er en uigennemsigtig gul til grøn til blåsort krystal med en gennemsnitlig massefylde på 3,21 g/cm3, der smelter ved 2700 grader, er uopløseligt i vand, men opløses med alkalier som NaOH eller KOH i opløsning. Når det smeltes sammen med silicium, danner det karbidglas, og når det fordampes til enkeltkrystaller, kan der dannes boules til brug i elektroniske enheder.

Anvendelser

Siliciumcarbid er et usædvanligt stærkt, korrosionsbestandigt og hårdt materiale med en Mohs-hårdhed på 9. Dets ridsefasthed gør det meget svært at ridse eller ødelægge, hvilket gør det perfekt til højspændingsanvendelser som f.eks. bilbremser. Siliciumcarbids halvlederegenskaber med bredt båndgab reducerer også energikravene til at flytte elektroner ind i dets ledningsbånd (tre gange lavere end silicium). Det gør siliciumcarbid til en fremragende kandidat til højspændingsapplikationer.

Kulstofkarbid kan fremstilles syntetisk ved at lade kulstof reagere med kvartssand i en elektrisk grafitovn ved temperaturer mellem 1.600 og 2.500 grader, og det blev først skabt kunstigt af Edward Acheson i 1891 til industrielle slibeformål. Hans arbejde inspirerede Henri Moisan i Frankrig til at syntetisere siliciumcarbid ved at blande kvarts med kulstof, hvilket gav anledning til moissanit, som nu ofte bruges som smykker.

Siliciumcarbid, som er et ildfast materiale, har mange anvendelsesmuligheder, der spænder fra fremstilling af skæreværktøjer og slibemidler, strukturelle materialer (skudsikre veste og kompositpanser), bildele (bremseskiver) til slidstærke materialer til pumper og raketmotorer. Siliciumcarbid bruges også som lysdioder og transistorer på grund af dets lave varmeudvidelse, modstandsdygtighed over for kemiske reaktioner og evne til at modstå høje temperaturer; dets stivhed, hårdhed og høje varmeledningsevne gør det til et attraktivt valg af spejlmateriale til astronomiske teleskoper på grund af forholdene i rummet samt strålingsniveauer, der kan ødelægge andre optiske materialer.

Produktion

Fremstillingsprocesser for siliciumcarbid involverer flere trin, der er designet til at producere materiale af højeste kvalitet. Råmaterialer skal først gennemgå strenge rensningsprocesser, der fjerner urenheder; det giver producenterne mulighed for bedre at kontrollere sammensætningen af deres slutprodukt.

Efter rensning kombineres silicium- og kulstofpulvere i specifikke forhold for at skabe den ønskede SiC-sammensætning. De formes derefter til forskellige former som f.eks. spåner eller slibekorn ved hjælp af forskellige teknikker som presning, ekstrudering og glidestøbning, før de opvarmes ved høje temperaturer ved hjælp af sintring for yderligere konsolidering til mere solide, tætte og holdbare produkter med forbedrede mekaniske egenskaber.

Siliciumcarbidprodukter omfatter keramiske skudsikre veste og bilbremser og koblinger lavet af siliciumcarbid; store enkeltkrystaller af SiC kan endda dyrkes til at lave sjældne ædelstene som moissanit.

SiC er en uorganisk kemisk forbindelse, men den kan bringes til at opføre sig mere som en halvleder ved at tilføje urenheder som nitrogen eller fosfor, der skaber henholdsvis n-type- og p-type-områder. Det gør det muligt for SiC at lede elektricitet i henhold til temperatur- og intensitetsændringer - hvilket gør det perfekt til applikationer inden for effektelektronik.