Τύπος καρβιδίου του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου, που αναφέρεται ευρύτερα ως καρβορούνδιο, είναι ένα σκληρό και ισχυρό κεραμικό μη οξειδωτικό υλικό με μοναδικές φυσικές ιδιότητες που χρησιμοποιείται συχνά σε λειαντικά και μεταλλουργικές εφαρμογές.

Το SiC παράγεται αρχικά με τη διαδικασία Acheson- σήμερα παράγεται μαζικά με τη χρήση φούρνου από τούβλα ηλεκτρικής αντίστασης, αναμειγνύοντας καθαρή πυριτική άμμο με λεπτόκοκκο κοκ, δίνοντας κίτρινο-πράσινους έως μπλε-μαύρους κρυστάλλους με ιριδισμό που ξεχωρίζει.

Φυσικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι μια εξαιρετικά σκληρή, κρυσταλλική ένωση πυριτίου και άνθρακα, γνωστή ως Moissanite, η οποία ανιχνεύθηκε για πρώτη φορά στη φυσική της κατάσταση (στον μετεωρίτη Canyon Diablo στην Αριζόνα) από τον βραβευμένο με Νόμπελ χημικό Henri Moissan το 1893 στο πλαίσιο της έρευνάς του για τα φυσικά υλικά.

Το καρβίδιο του πυριτίου έχει στρωματοποιημένη κρυσταλλική δομή και κυκλοφορεί σε διάφορους πολυτύπους με συγκεκριμένες διατάξεις στοίβαξης ατόμων πυριτίου και άνθρακα, γνωστές ως διάταξη γνωστή ως 3C-SiC, αν και υπάρχουν πάνω από 100 άλλες δομές με παρόμοιες χημικές και φυσικές ιδιότητες.

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να μετατραπεί σε κεραμικά υλικά με πυροσυσσωμάτωση (σύνδεση των σωματιδίων μεταξύ τους με υψηλές θερμοκρασίες) μέσω διαφόρων μεθόδων. Μια δημοφιλής διαδικασία για να γίνει αυτό είναι το reaction bonded SiC, επίσης γνωστό ως Hexoloy(r), το οποίο χρησιμοποιεί reaction bonded sic σε σκόνη αναμεμειγμένη με πορώδη πρώτη ύλη άνθρακα μέσω προσθετικής μορφοποίησης, χύτευσης ή εξώθησης για την παραγωγή πλήρως συμπυκνωμένου κεραμικού υλικού με εξαιρετικές χημικές και μηχανικές ιδιότητες που αποδίδουν σε ακραίες θερμοκρασίες τελικής χρήσης.

Χημικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου έχει πολλές ευεργετικές ιδιότητες που το καθιστούν πολύτιμη βιομηχανική ένωση. Είναι χημικά αδρανές και ανθεκτικό στη διάβρωση. Επιπλέον, το καρβίδιο του πυριτίου αποτελεί ένα εξαιρετικό λειαντικό που χρησιμοποιείται ευρέως στη σύγχρονη λαπιδοποιία λόγω της ανθεκτικότητάς του και της σκληρότητάς του κατά Mohs 10,5.

Αυτό το κρυσταλλικό υλικό μπορεί να προστεθεί για την παραγωγή ημιαγωγών τύπου n και p, με την πρόσμιξη αζώτου να παράγει το πρώτο και την πρόσμιξη γαλλίου, αλουμινίου ή βορίου το δεύτερο. Έχει υψηλή ανοχή στη θερμοκρασία και δεν αντιδρά με αλκάλια ή τις περισσότερες οργανικές ουσίες με εξαίρεση το υδροφθορικό οξύ.

Η εξαιρετική ανθεκτικότητα του καρβιδίου του πυριτίου έχει οδηγήσει στη χρήση του σε διάφορες εφαρμογές, από κεραμικούς δίσκους φρένων για σπορ αυτοκίνητα και αλεξίσφαιρα γιλέκα, μέχρι στεγανοποιήσεις άξονα αντλίας λόγω της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και της ικανότητάς του να διαχέει τη θερμότητα τριβής πριν αυτή μεταφερθεί στις χαλύβδινες επιφάνειες έδρασης. Επιπλέον, η πολύπλοκη χημική του σύσταση σημαίνει ότι υπάρχουν πολλαπλές μορφές ή πολυτύποι που περιέχουν διαφορετικές κρυσταλλικές δομές και διατάξεις δεσμών εντός της σύνθεσής του.

Ηλεκτρικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου έχει κερδίσει νέα αναγνώριση τα τελευταία χρόνια λόγω των εξαιρετικών μηχανικών ιδιοτήτων του, όπως η υψηλή σκληρότητα και η χημική αδράνεια, αλλά διαθέτει επίσης χρήσιμα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Λόγω της κρυσταλλικής δομής του, το καρβίδιο του πυριτίου επιτρέπει την εισαγωγή προσμίξεων, γνωστών ως ντοπαρίσματος, μέσω της πρόσμιξης για τη δημιουργία περισσότερων ελεύθερων φορέων φορτίου, όπως ηλεκτρόνια και οπές, εντός του υλικού του, αυξάνοντας την αγωγιμότητα.

Η μοναδική ατομική δομή του καρβιδίου του πυριτίου του παρέχει σχετικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα λόγω της στενής συσκευασίας των ατόμων του με μεγάλες ακτίνες και της επακόλουθης φωνονικής αγωγιμότητας- αυτό δίνει στο καρβίδιο του πυριτίου πλεονέκτημα έναντι άλλων δομικών κεραμικών όπως το νιτρίδιο του αλουμινίου και η βηρυλλία που έχουν χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα λόγω των ευρύτερων ατομικών ακτίνων τους.

Το καρβίδιο του πυριτίου εμφανίζεται στη φύση ως κρυσταλλικό ορυκτό μοισσανίτης σε μικρές ποσότητες- ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος του καρβιδίου του πυριτίου που χρησιμοποιείται στο εμπόριο παράγεται συνθετικά για χρήση ως λειαντικό ή προηγμένο υλικό πυρίμαχων υλικών με ανάφλεξη μίγματος πυριτικής άμμου και άνθρακα σε κλίβανο ηλεκτρικής αντίστασης με τούβλα.

Μηχανικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα εξαιρετικά σκληρό κεραμικό υλικό με σκληρότητα στην κλίμακα Mohs 9. Εμφανίζεται συνήθως ως κίτρινοι έως πράσινοι έως μπλε-μαύροι ιριδίζοντες κρύσταλλοι που υπολείπονται στους 2700 βαθμούς Κελσίου πριν αποσυντεθούν στο νερό ή με αλκάλια και σίδηρο σε υψηλότερες θερμοκρασίες, διαθέτοντας εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση και αντοχή σε θερμοκρασίες έως 1600 βαθμούς Κελσίου, ενώ η υφή, το μέγεθος των κόκκων, τα σφάλματα στοίβαξης, οι προσμίξεις ή τα σφάλματα στοίβαξης έχουν δευτερεύοντα ρόλο στις μηχανικές ιδιότητες.

Παράγεται βιομηχανικά μέσω της διαδικασίας Acheson, η οποία περιλαμβάνει την ανάμειξη διοξειδίου του πυριτίου με άνθρακα σε ηλεκτρικό κλίβανο σε υψηλές θερμοκρασίες με τη μέθοδο Acheson, ή βρίσκεται στη φύση ως μοισσανίτης που ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά στον κρατήρα μετεωριτών Canyon Diablo στην Αριζόνα το 1893. Ο μοισσανίτης έχει αναγνωριστεί από καιρό ως βασικό υλικό σε προηγμένα λειτουργικά κεραμικά, λειαντικά και μεταλλουργικές πρώτες ύλες λόγω της εξαιρετικής θερμικής αγωγιμότητας και της ελάχιστης θερμικής διαστολής του, καθώς και της εξαιρετικής χημικής σταθερότητας- ανθεκτικός στα περισσότερα οργανικά και ανόργανα οξέα, καθώς και σε άλατα, αλλά υπάρχει υδροφθορικό οξύ ή όξινα φθορίδια.