Siliciumcarbid - struktur og anvendelse

Siliciumcarbidets enestående temperaturstabilitet, holdbarhed, styrke, korrosionsbestandighed og halvlederegenskaber gør det til et ideelt materiale til effektelektronik. Desuden kan doping med fosfor eller gallium gøre det muligt at dope en halvlederenhed af n-type siliciumcarbid.

SiC fås i forskellige polytyper, der adskiller sig ved arrangementet af silicium- og kulstofatomer i deres gitterstrukturer. De har hver især forskellige fysiske og kemiske egenskaber.

Kemisk sammensætning

Siliciumcarbid (SiC) er en uorganisk kemisk forbindelse, der består af silicium og kulstof. Som et af de hårdeste stoffer, mennesket kender til, konkurrerer siliciumcarbid med diamant og borcarbid som et af de hårdeste stoffer, man kender til. Siliciumcarbid anvendes i mange industrielle sammenhænge, bl.a. som slibemiddel og strukturkeramik, men det kan også bruges til ildfaste foringer, højtemperatursten, varmeelementer samt slidstærke dele til pumper og raketmotorer.

SiC har en meget tæt atomstruktur, der resulterer i stærke kovalente bindinger mellem silicium- og kulstofatomer, hvilket skaber stærke kovalente bindinger mellem hver. Atomerne er organiseret i to primære koordinationstetraedre med fire silicium- og fire kulstofatomer bundet til hinanden af stærke kovalente bindinger.

Siliciumcarbid i sin rene form fungerer som en elektrisk isolator, men ved at tilsætte dopingstoffer som bor og aluminium bliver det en halvleder.

Siliciumcarbid kan fremstilles ved at lade forskellige råmaterialer reagere i en ovn ved høje temperaturer. Når materialet er produceret, skal det bearbejdes i henhold til den påtænkte anvendelse - f.eks. kan det være nødvendigt at knuse, fræse eller behandle det kemisk, før det er egnet til den påtænkte anvendelse.

Siliciumcarbid-slibemateriale er et af de hyppigst anvendte materialer i lapidariet på grund af dets lange levetid og økonomiske pris. Desuden har siliciumkarbid længe været brugt i industrielle bearbejdningsprocesser som slibning, honing og vandstråleskæring som et industrielt slibemiddel. Desuden gør siliciumkarbidets høje styrke og slidstyrke det nyttigt i mange mine- og produktionsmiljøer, mens dets skudsikre kvaliteter gør det til en populær komponent i skudsikre panserløsninger.

Fysiske egenskaber

Siliciumcarbid (SiC) er en ekstremt hård, syntetisk fremstillet forbindelse af silicium og kulstof, som først blev masseproduceret i slutningen af 1800-tallet og siden hurtigt har fundet industriel anvendelse. SiC blev først brugt som slibemiddel, men udviklede sig snart til ildfaste foringer i industriovne samt slidstærke komponenter i pumper og raketmotorer; på grund af dets overlegne varmeledningsevne og lave termiske ekspansionsegenskaber er det desuden et uvurderligt materialevalg til elektroniske komponenter som halvledere og lysdioder blandt mange flere anvendelser end nogensinde før!

Siliciumcarbidets brede båndgab gør det muligt for elektroner at bevæge sig hurtigere gennem materialet end i silicium, hvilket gør det ideelt til hurtigere elektronmobilitet, korrosionsbestandighed, slidstyrke, højt smeltepunkt og styrke ved forhøjede temperaturer - kvaliteter, der gør dette materiale ønskværdigt i mange krævende applikationer.

Aluminiums egenskaber som kemisk inerti, højt smeltepunkt, modstandsdygtighed over for høje temperaturer og lav udvidelseskoefficient gør det velegnet til værktøjs- og maskinkonstruktion. Aluminium er også hovedingrediensen i mange slibematerialer og en vigtig bestanddel i mange ildfaste materialer.

Siliciumcarbids kombination af styrke, varmeledningsevne og stivhed gør det til et fremragende materialevalg til store optiske teleskoper som Herschel-rumteleskopets spejle. Desuden gør dets stivhed og varmeledningsevne det også velegnet til undersystemer i rumfartøjer, der skal kunne modstå høje temperaturer eller strålingsniveauer.

Kemiske reaktioner

Siliciumcarbid er et hårdt materiale med bemærkelsesværdige fysiske og kemiske egenskaber. Det består af silicium- og kulstofatomer arrangeret i en ordnet gitterstruktur, og dets exceptionelle styrke og termiske stabilitet bidrager til dets industrielle produktion ved at reducere silica med kulstof ved høje temperaturer i en elektrisk ovn. Rent siliciumcarbid er typisk farveløst, men forurenede versioner fremstår ofte som enten blåsort eller brunligt pulver på grund af urenheder i form af jern eller andre forurenende stoffer.

Aluminium er et ekstremt stærkt og elastisk materiale, der bruges til fremstilling af slibemidler, slibeskiver, skæreværktøjer, bildele, ildfaste mursten, varmeelementer og højtemperaturkeramik. På grund af dets modstandsdygtighed over for kemiske reaktioner, lave termiske udvidelseshastighed og evne som halvlederelement er det et fremragende materialevalg til kraftelektronikapplikationer.

Siliciumcarbid kan også modstå langvarig eksponering for vand uden at blive nedbrudt, hvilket gør det til et fremragende materialevalg til komponenter, der skal forblive nedsænket i væsker som f.eks. kølevæsker eller luft. Det skal dog bemærkes, at siliciumcarbid reagerer med brintgas ved højere temperaturer og danner siliciumdioxid og metan; dette sker, fordi dets tetraedriske struktur ved højere temperaturer udsætter atomerne for brintmolekyler, som kombineres med iltmolekyler i atmosfæren og danner vanddamp, der er synlig på overfladen.

Produktion

Siliciumcarbid adskiller sig fra mange andre almindeligt anvendte materialer ved, at det skal fremstilles. Siliciumcarbid er et af de hårdeste stoffer, vi kender, og det kræver diamantklinger at skære i det. Desværre kan fremstillingsprocessen for siliciumkarbid være kompleks, og derfor skal den forbedres for at holde trit med den stigende efterspørgsel.

Acheson-processen er en af de mest anvendte produktionsmetoder, der består i at blande silica og koks, før de opvarmes til høje temperaturer og reagerer kemisk med hinanden, så der dannes lysegrønne krystaller, der er store nok til at kunne ses, før blandingen køles ned for at stoppe denne vækst og stoppe krystalvæksten helt. Når pulverblandingen er kølet ned, kan den kombineres med ikke-oxidiske sintringshjælpemidler (bindemidler) til komprimering med kold isostatisk presning eller ekstruderingsmetoder.

Siliciumcarbid skiller sig ud fra andre keramiske materialer på grund af dets brede båndgab - som måler den forskel i energi, der kræves for, at elektroner kan springe fra et atoms valensbånd til dets ledningsbånd - hvilket gør det i stand til at modstå meget højere spændinger og frekvenser end konkurrerende materialer.

Siliciumcarbid er et ideelt materiale til halvlederelektronik, der kræver modstandsvarme i barske miljøer, herunder pumpelejer, pumpelejer, sandblæsningsinjektorer, matricer og varmeelementer. På grund af sin styrke, hårdhed og holdbarhed er siliciumcarbid også et fremragende materialevalg til pumpelejer, pumpelejer, sandblæsningsinjektorer, matricer og varmeelementer - for ikke at glemme doping med aluminium, bor eller gallium for at producere p-type halvledende siliciumcarbid, som kan reducere aktive kølesystemer, der ville øge vægten og kompleksiteten, når de installeres i elektriske køretøjer - hvilket hjælper med at reducere vægten, mens det øger kompleksiteten!