Τι είναι το καρβίδιο του πυριτίου;

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα εξαιρετικά σκληρό και ανθεκτικό στη φθορά κεραμικό υλικό που χρησιμοποιείται σε φρένα και συμπλέκτες αυτοκινήτων για εξαρτήματα μεγάλης διάρκειας ζωής.

Οι μηχανικές ιδιότητες περιλαμβάνουν χαμηλή θερμική διαστολή και υψηλή σκληρότητα.

Αυτές οι ιδιότητες καθιστούν το υλικό κατάλληλο για τα ηλεκτρονικά ισχύος, όπου το ευρύτερο χάσμα ζώνης του επιτρέπει υψηλότερες τάσεις λειτουργίας από τους παραδοσιακούς αντιστροφείς πυριτίου.

Σκληρότητα

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα από τα σκληρότερα συνθετικά παραγόμενα υλικά, δεύτερο μετά το καρβίδιο του βορίου και το διαμάντι. Με εξαιρετική αντοχή στη φθορά και θερμικά σταθερές ιδιότητες, το SiC αποτελεί ιδανική επιλογή υλικού για εφαρμογές που απαιτούν υψηλή αντοχή ή αντοχή στη θερμοκρασία.

Η σκόνη SiC σχηματίζει κρυσταλλικές δομές με χρώμα που κυμαίνεται από κιτρινοπράσινο έως μπλε-μαύρο ανάλογα με την καθαρότητα. Το SiC είναι αδιάλυτο στο νερό αλλά κάπως περισσότερο στα αλκάλια ή στο σίδηρο.

Τα κεραμικά SiC μπορούν να αυξηθούν σημαντικά με την προσθήκη μαλακών φάσεων, όπως GNPs και Ti, ή με την πυροσυσσωμάτωση με υλικά όπως καρβίδιο του νιόβιου για την αύξηση της πυκνότητας [17], οδηγώντας σε υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα του τελικού προϊόντος και αυξημένη σκληρότητα (το μέγεθος των κόκκων αυξάνεται και ο δεσμός αντίδρασης αυξάνεται με τη θερμοκρασία). Ωστόσο, οι μέγιστες θερμοκρασίες δεν πρέπει ποτέ να υπερβαίνονται, καθώς διαφορετικά τα σωματίδια SiC μπορεί να χάσουν την κρυσταλλική τους δομή και να γίνουν εύθραυστα με την πάροδο του χρόνου.

Θερμική αγωγιμότητα

Η ανώτερη θερμική αγωγιμότητα του καρβιδίου του πυριτίου το καθιστά το κατάλληλο υλικό για εφαρμογές που απαιτούν γρήγορη και αξιόπιστη απόδοση σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και τάσεις. Η αντοχή του στην τάση είναι δέκα φορές υψηλότερη από εκείνη του πυριτίου, ξεπερνώντας το νιτρίδιο του γαλλίου σε συστήματα που λειτουργούν πάνω από 1000V.

Η ιδιότητα του καρβιδίου του πυριτίου με το ευρύ χάσμα ζώνης του επιτρέπει να αποδίδει καλά σε συσκευές που είναι ευαίσθητες στις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και της τάσης, όπως αυτές που χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία ηλεκτρικών οχημάτων. Επιπλέον, το ευρύ χάσμα ζώνης του καρβιδίου του πυριτίου το προστατεύει επίσης από τη διάβρωση και την οξείδωση.

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να κατασκευαστεί σε διάφορα σχήματα και μεγέθη ανάλογα με την προοριζόμενη εφαρμογή του. Συνηθέστερα κατασκευάζεται ως λεπτή σκόνη που αναμιγνύεται με μη οξειδωτικά βοηθήματα πυροσυσσωμάτωσης για να σχηματιστεί μια πάστα η οποία μπορεί στη συνέχεια να συμπιεστεί με εξώθηση, χύτευση με έγχυση ή χύτευση με εξώθηση για σκοπούς συμπίεσης ή διαμόρφωσης. Άλλες μέθοδοι μπορεί να περιλαμβάνουν χημική εναπόθεση ατμών ή διαδικασίες σύνθεσης με βάση τον άνθρακα που παράγουν κυβικό SiC που χρησιμεύει ως λειαντικό υλικό κατά τη διάρκεια διαδικασιών λείανσης, ακονίσματος και κοπής με υδροβολή.

Θερμική διαστολή

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα σκληρό υλικό με εξαιρετική αντοχή σε θερμικά σοκ, που το καθιστά κατάλληλο για διάφορες λειαντικές κατεργασίες, όπως λείανση, ακόνισμα και κοπή με υδροβολή. Επιπλέον, ο σχετικά χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής του διασφαλίζει ότι παραμένει διαστατικά σταθερό με την πάροδο του χρόνου, καθιστώντας το καρβίδιο του πυριτίου ένα απαραίτητο λειαντικό στη σύγχρονη λαπιδοποιία.

Το καρβίδιο του πυριτίου διαθέτει μια στενά στοιβαγμένη δομή αποτελούμενη από δύο πρωτογενή τετράεδρα συντονισμού που αποτελούνται από τέσσερα άτομα πυριτίου και τέσσερα άτομα άνθρακα το καθένα, τα οποία συνδέονται ομοιοπολικά μεταξύ τους σχηματίζοντας στενά στοιβαγμένες πολυτυπικές δομές.

Η κρυσταλλική δομή του καρβιδίου του πυριτίου μπορεί να μεταβληθεί για να μεταβάλει τις ελαστικές του ιδιότητες, παρέχοντας έλεγχο των ελαστικών ιδιοτήτων του. Πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί πρώτων αρχών με τη χρήση της θεωρίας λειτουργικών πυκνότητας για να διερευνηθεί πώς διάφορες ατέλειες, όπως κενές, διάμεσες και αντισιτικές ατέλειες, επηρεάζουν τις ελαστικές σταθερές του SiC και του ZrC- για παράδειγμα, η κυρίαρχη ατέλεια VC μειώνει δραματικά το C44, ενώ άλλες ατέλειες είχαν ελάχιστη επιρροή, όπως το VSi και το Sit.

Ηλεκτρική αγωγιμότητα

Το καρβίδιο του πυριτίου αποτελείται από εξαγωνικούς κρυστάλλους που ενώνονται μεταξύ τους με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς, δημιουργώντας ένα ανθεκτικό υλικό που χρησιμοποιείται σε εφαρμογές τόσο διαφορετικές όσο το γυαλόχαρτο, οι τροχοί λείανσης και τα κοπτικά εργαλεία από την ανακάλυψή του στα τέλη του 19ου αιώνα. Πιο πρόσφατα έχει επίσης χρησιμοποιηθεί σε πυρίμαχες επενδύσεις βιομηχανικών κλιβάνων, ανθεκτικά στη φθορά μέρη για αντλίες και πυραυλοκινητήρες και ως ημιαγώγιμο υπόστρωμα για διόδους εκπομπής φωτός (LED).

Το καρβίδιο του πυριτίου στην καθαρή του κατάσταση είναι ηλεκτρικός μονωτής- ωστόσο, με την ελεγχόμενη προσθήκη προσμίξεων, γνωστών ως προσμίξεων, μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρικό ημιαγωγό. Οι προσμίξεις αζώτου και φωσφόρου δημιουργούν ιδιότητες ημιαγωγού τύπου Ν- οι προσμίξεις αλουμινίου, βορίου ή γαλλίου το μετατρέπουν σε ιδιότητες τύπου Ρ.

Το ευρύ χάσμα ζώνης του καρβιδίου του πυριτίου επιτρέπει την αποτελεσματικότερη αγωγή του ηλεκτρισμού σε σχέση με τους παραδοσιακούς ημιαγωγούς, γεγονός που οδηγεί σε συσκευές με μικρότερο, ταχύτερο χρόνο λειτουργίας, υψηλότερη αντοχή στη θερμοκρασία και στην τάση, καθώς και σε μεγαλύτερες ικανότητες χειρισμού ισχύος, οι οποίες μεταφράζονται σε μειωμένο κόστος σε πολλές εφαρμογές.