Δομή και εφαρμογές καρβιδίου του πυριτίου

Η εξαιρετική σταθερότητα στη θερμοκρασία, η ανθεκτικότητα, η αντοχή, η αντίσταση στη διάβρωση και οι ημιαγωγικές ιδιότητες του καρβιδίου του πυριτίου το καθιστούν ιδανικό υλικό για τα ηλεκτρονικά ισχύος. Επιπλέον, η πρόσμιξη με φώσφορο ή γάλλιο θα μπορούσε να επιτρέψει την πρόσμιξη μιας ημιαγωγικής διάταξης βάσης καρβιδίου πυριτίου τύπου n.

Το SiC διατίθεται σε διάφορους πολυτύπους που διαφέρουν ως προς τη διάταξη των ατόμων πυριτίου και άνθρακα στη δομή του πλέγματός τους. Καθένας από αυτούς παρουσιάζει διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες.

Χημική σύνθεση

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι μια ανόργανη χημική ένωση που αποτελείται από πυρίτιο και άνθρακα. Ως μία από τις σκληρότερες γνωστές στον άνθρωπο, το καρβίδιο του πυριτίου ανταγωνίζεται το διαμάντι και το καρβίδιο του βορίου ως μία από τις σκληρότερες γνωστές ουσίες. Το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές, μεταξύ άλλων ως λειαντικό και δομικό κεραμικό- επιπλέον, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για πυρίμαχες επενδύσεις, τούβλα υψηλής θερμοκρασίας, θερμαντικά στοιχεία καθώς και ανθεκτικά στη φθορά μέρη για αντλίες και πυραυλοκινητήρες.

Το SiC διαθέτει εξαιρετικά πυκνή ατομική δομή που οδηγεί σε ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ των ατόμων πυριτίου και άνθρακα, δημιουργώντας ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ τους. Τα άτομα είναι οργανωμένα σε δύο πρωταρχικά τετράεδρα συντονισμού με τέσσερα άτομα πυριτίου και τέσσερα άτομα άνθρακα που συνδέονται μεταξύ τους με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς.

Το καρβίδιο του πυριτίου στην καθαρή του κατάσταση δρα ως ηλεκτρικός μονωτής- ωστόσο, με την προσθήκη προσμίξεων όπως το βόριο και το αλουμίνιο γίνεται ημιαγωγός.

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να κατασκευαστεί μέσω της αντίδρασης διαφόρων πρώτων υλών σε κλίβανο σε υψηλές θερμοκρασίες. Αφού παραχθεί, το υλικό αυτό πρέπει στη συνέχεια να υποστεί επεξεργασία ανάλογα με τη χρήση για την οποία προορίζεται - για παράδειγμα, μπορεί να χρειαστεί θραύση, άλεση ή χημική επεξεργασία προτού καταστεί κατάλληλο για την προβλεπόμενη χρήση του.

Το λειαντικό υλικό καρβιδίου του πυριτίου είναι ένα από τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα υλικά στη λαπιδοποιία λόγω της μεγάλης διάρκειας ζωής του και της οικονομικής του τιμής. Επιπλέον, το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό σε βιομηχανικές κατεργασίες όπως η λείανση, η λείανση και η κοπή με υδροβολή ως βιομηχανικό λειαντικό. Επιπλέον, η υψηλή αντοχή του καρβιδίου του πυριτίου και η αντίσταση στην τριβή το καθιστούν χρήσιμο σε πολλά περιβάλλοντα εξόρυξης και μεταποίησης, ενώ οι αλεξίσφαιρες ιδιότητές του το καθιστούν δημοφιλές συστατικό λύσεων αλεξίσφαιρης θωράκισης.

Φυσικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι μια εξαιρετικά σκληρή, συνθετικά παραγόμενη ένωση πυριτίου και άνθρακα, η οποία παρήχθη για πρώτη φορά μαζικά στα τέλη του 19ου αιώνα και έκτοτε απέκτησε γρήγορα βιομηχανικές εφαρμογές. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε ως λειαντικό, το SiC σύντομα εξελίχθηκε για να εξυπηρετεί πυρίμαχες επενδύσεις σε βιομηχανικούς κλιβάνους, καθώς και ανθεκτικά στη φθορά εξαρτήματα σε αντλίες και πυραυλοκινητήρες- επιπλέον, λόγω της ανώτερης θερμικής αγωγιμότητας και των χαρακτηριστικών χαμηλής θερμικής διαστολής του, αποτελεί μια ανεκτίμητη επιλογή υλικού για ηλεκτρονικά εξαρτήματα όπως ημιαγωγοί και δίοδοι εκπομπής φωτός μεταξύ πολλών άλλων εφαρμογών που δεν υπήρχαν ποτέ άλλοτε!

Το ευρύ χάσμα ζώνης του καρβιδίου του πυριτίου επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να ταξιδεύουν ταχύτερα μέσα στο υλικό του από ό,τι στο πυρίτιο, καθιστώντας το ιδανικό για ταχύτερη κινητικότητα των ηλεκτρονίων, αντοχή στη διάβρωση, αντοχή στη φθορά, υψηλό σημείο τήξης και αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες - ιδιότητες που καθιστούν το υλικό αυτό επιθυμητό σε πολλές απαιτητικές εφαρμογές.

Τα χαρακτηριστικά του αλουμινίου, όπως η χημική αδράνεια, το υψηλό σημείο τήξης, η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και ο χαμηλός συντελεστής διαστολής, το καθιστούν κατάλληλο για την κατασκευή εργαλείων και μηχανημάτων. Το αλουμίνιο είναι επίσης το κύριο συστατικό που χρησιμοποιείται σε πολλά λειαντικά υλικά, καθώς και απαραίτητο σε πολλά πυρίμαχα υλικά.

Ο συνδυασμός αντοχής, θερμικής αγωγιμότητας και ακαμψίας του καρβιδίου του πυριτίου το καθιστά εξαιρετική επιλογή υλικού για μεγάλα οπτικά τηλεσκόπια, όπως τα κάτοπτρα του διαστημικού τηλεσκοπίου Herschel. Επιπλέον, η ακαμψία και η θερμική του αγωγιμότητα το καθιστούν επίσης κατάλληλο για υποσυστήματα διαστημικών σκαφών που απαιτούν να αντέχουν υψηλές θερμοκρασίες ή επίπεδα ακτινοβολίας.

Χημικές αντιδράσεις

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα σκληρό υλικό με αξιοσημείωτες φυσικές και χημικές ιδιότητες. Αποτελούμενο από άτομα πυριτίου και άνθρακα τοποθετημένα σε διατεταγμένη δομή πλέγματος, η εξαιρετική αντοχή και η θερμική του σταθερότητα συμβάλλουν στη βιομηχανική παραγωγή του με αναγωγή του πυριτίου με άνθρακα σε υψηλές θερμοκρασίες σε ηλεκτρικό κλίβανο. Το καθαρό καρβίδιο του πυριτίου εμφανίζεται συνήθως άχρωμο- ωστόσο, οι μολυσμένες εκδόσεις εμφανίζονται συχνά είτε ως μπλε-μαύρη είτε ως καστανόχρωμη σκόνη λόγω προσμίξεων σιδήρου ή άλλων προσμίξεων που το μολύνουν.

Το αλουμίνιο είναι ένα εξαιρετικά ισχυρό και ανθεκτικό υλικό που χρησιμοποιείται στην κατασκευή λειαντικών, τροχών λείανσης, κοπτικών εργαλείων, εξαρτημάτων αυτοκινήτων, πυρίμαχων τούβλων, θερμαντικών στοιχείων και κεραμικών υψηλής θερμοκρασίας. Λόγω της αντίστασής του στις χημικές αντιδράσεις, του χαμηλού ρυθμού θερμικής διαστολής και της ικανότητάς του ως ημιαγωγικού στοιχείου αποτελεί εξαιρετική επιλογή υλικού για εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος.

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί επίσης να αντέξει παρατεταμένη έκθεση στο νερό χωρίς να υποβαθμιστεί, καθιστώντας το εξαιρετική επιλογή υλικού για εξαρτήματα που πρέπει να παραμένουν βυθισμένα σε υγρά, όπως τα υγρά ψύξης ή ο αέρας. Ωστόσο, θα πρέπει να σημειωθεί ότι το καρβίδιο του πυριτίου αντιδρά με αέριο υδρογόνο σε υψηλότερες θερμοκρασίες για την παραγωγή διοξειδίου του πυριτίου και μεθανίου- αυτό συμβαίνει επειδή η τετραεδρική δομή του εκθέτει τα άτομα σε υψηλότερες θερμοκρασίες σε μόρια υδρογόνου τα οποία συνδυάζονται με μόρια οξυγόνου που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα για να σχηματίσουν υδρατμούς ορατούς στην επιφάνειά του.

Κατασκευή

Το καρβίδιο του πυριτίου διαφέρει από πολλά άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται συνήθως στο ότι πρέπει να κατασκευαστεί. Μια από τις σκληρότερες ουσίες που είναι γνωστές στον άνθρωπο, η κοπή του καρβιδίου του πυριτίου απαιτεί λεπίδες με διαμάντια. Δυστυχώς, όμως, η διαδικασία κατασκευής του καρβιδίου του πυριτίου μπορεί να είναι πολύπλοκη- έτσι πρέπει να βελτιωθεί για να συμβαδίζει με την αυξανόμενη ζήτηση.

Η διαδικασία Acheson είναι μία από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μεθόδους παραγωγής, η οποία συνίσταται στην ανάμειξη πυριτίας και κοκ πριν τη θέρμανσή τους σε υψηλές θερμοκρασίες και τη χημική αντίδραση μεταξύ τους, παράγοντας φωτεινούς πράσινους κρυστάλλους αρκετά μεγάλους ώστε να είναι ορατοί, πριν την ψύξη του μείγματος για να σταματήσει αυτή η ανάπτυξη και να σταματήσει εντελώς η ανάπτυξη των κρυστάλλων. Αφού ψυχθεί, αυτό το μείγμα σκόνης μπορεί στη συνέχεια να συνδυαστεί με μη οξειδωτικά βοηθήματα πυροσυσσωμάτωσης (συνδετικά) για συμπίεση με μεθόδους ψυχρής ισοστατικής συμπίεσης ή εξώθησης.

Το καρβίδιο του πυριτίου ξεχωρίζει από άλλα κεραμικά υλικά λόγω του μεγάλου χάσματος ζώνης του - το οποίο μετρά τη διαφορά ενέργειας που απαιτείται για να μεταπηδήσουν τα ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους ενός ατόμου στη ζώνη αγωγιμότητας - επιτρέποντάς του να αντέχει πολύ υψηλότερες τάσεις και συχνότητες από τα ανταγωνιστικά υλικά.

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα ιδανικό υλικό για ηλεκτρονικά ημιαγωγών που απαιτούν θέρμανση με αντίσταση σε σκληρά περιβάλλοντα, όπως ρουλεμάν αντλιών, έδρανα αντλιών, εγχυτήρες αμμοβολής, μήτρες και θερμαντικά στοιχεία. Λόγω της αντοχής, της σκληρότητας και της ανθεκτικότητάς του, το καρβίδιο του πυριτίου αποτελεί επίσης μια εξαιρετική επιλογή υλικού για ρουλεμάν αντλιών, έδρανα αντλιών, εγχυτήρες αμμοβολής, μήτρες και στοιχεία θέρμανσης - χωρίς να ξεχνάμε την πρόσμιξη με αλουμίνιο, βόριο ή γάλλιο για την παραγωγή ημιαγώγιμου καρβιδίου πυριτίου τύπου p, το οποίο θα μπορούσε να μειώσει τα ενεργά συστήματα ψύξης που θα προσέθεταν βάρος και πολυπλοκότητα όταν εγκαθίστανται σε ηλεκτρικά οχήματα - συμβάλλοντας στη μείωση του βάρους ενώ προσθέτει πολυπλοκότητα!