Καρβίδιο του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα εξαιρετικό υλικό με εξαιρετικές φυσικές ιδιότητες. Είναι ανθεκτικό στις υψηλές θερμοκρασίες, στη διάβρωση και στη φθορά, ενώ διαθέτει χαμηλούς ρυθμούς θερμικής διαστολής.

Ο μοισσανίτης εμφανίζεται στη φύση σε πολύ περιορισμένες ποσότητες ως ορυκτό και έκτοτε παράγεται μαζικά μέσω της διαδικασίας ηλεκτρικού φούρνου παρτίδων του Edward G. Acheson, η οποία συνεχίζεται μέχρι σήμερα.

Χαρακτηριστικά

Το καρβίδιο του πυριτίου προσφέρει εξαιρετική χημική και μηχανική αντοχή σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, αντιστέκεται στη διάβρωση και την τριβή με το υψηλό μέτρο ελαστικότητας και τον χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής. Επιπλέον, το καρβίδιο του πυριτίου παρουσιάζει καλή αντοχή σε θερμικό σοκ, αν και λιγότερο από τη δομική κεραμική ζιρκονία.

Το SiC είναι γενικά ένας ηλεκτρικός μονωτής- ωστόσο, με την ελεγχόμενη προσθήκη προσμίξεων μπορεί να γίνει ηλεκτρικά αγώγιμο. Όταν προστίθεται αλουμίνιο, βόριο ή γάλλιο γίνεται ημιαγωγός τύπου P, ενώ η πρόσμιξη αζώτου ή φωσφόρου δίνει ιδιότητες ημιαγωγού τύπου N.

Το καθαρό βιομηχανικό SiC έχει καφέ έως μαύρο χρώμα λόγω των προσμίξεων σιδήρου. Ως πολυτυπικό ημιαγωγικό υλικό, οι κρυσταλλικές δομές του ποικίλλουν ως προς τον τρόπο με τον οποίο τα άτομα άνθρακα και πυριτίου στοιβάζονται σε τετράεδρα- αυτό του επιτρέπει να συμπεριφέρεται είτε ως μονωτής είτε ως αγωγός σε σταθερές θερμοκρασίες- επιπλέον, παραμένει αδιάλυτο τόσο στο νερό όσο και στην αλκοόλη, αλλά ανθεκτικό στα περισσότερα οργανικά οξέα, αλκάλια και άλατα.

Εφαρμογές

Τα κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου έχουν εφαρμογές σε πολλούς τομείς: από λειαντικά και κοπτικά εργαλεία, δομικά υλικά (αλεξίσφαιρα γιλέκα και σύνθετες θωρακίσεις), εξαρτήματα αυτοκινήτων όπως δίσκοι φρένων και αλεξικέραυνα έως υψηλή αντοχή σε περιβάλλοντα διάβρωσης και τριβής, όπως εγκαταστάσεις πετροχημικής παραγωγής ή συστήματα αποθείωσης καυσαερίων.

Οι διατάξεις ισχύος SiC εκμεταλλεύονται τις ιδιότητες του ημιαγωγού με ευρύ χάσμα ζώνης για να διεξάγουν σε υψηλότερες τάσεις, καθιστώντας πιο συμπαγή συστήματα μετατροπής ισχύος με μειωμένες απώλειες ενέργειας και συντομότερους χρόνους μετατροπής. Επιπλέον, οι διατάξεις SiC ξεπέρασαν τις αντίστοιχες διατάξεις πυριτίου όσον αφορά τις επιδόσεις σε ρεύμα μεταγωγής και θερμοκρασία σε σύγκριση με τις αντίστοιχες διατάξεις πυριτίου, με αποτέλεσμα σημαντική αύξηση της απόδοσης των τελικών προϊόντων.

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) φέρνει ταχέως επανάσταση στα ηλεκτρονικά ισχύος λόγω του μοναδικού συνδυασμού φυσικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων του. Τα MOSFET και οι δίοδοι Schottky από SiC είναι τεχνολογίες ημιαγωγών ισχύος που χρησιμοποιούνται ευρέως και αποτελούν βασικά στοιχεία στους αντιστροφείς έλξης και τους φορτιστές επί του οχήματος των ηλεκτρικών οχημάτων, καθώς και στους μετατροπείς DC/DC που βρίσκονται στους σταθμούς φόρτισης - αυτό μεταφράζεται σε βελτιωμένη εμβέλεια μπαταρίας στα ηλεκτρικά οχήματα και σε αυξημένη απόδοση για βιομηχανικές εφαρμογές.

Κατασκευή

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να μετατραπεί σε μια σειρά υλικών για διάφορες χρήσεις. Οι μηχανολόγοι μηχανικοί βασίζονται σε αυτό ως προηγμένο κεραμικό για την αντοχή, τη σκληρότητα, τη διάβρωση και την αντοχή στη φθορά, καθώς και οι ηλεκτρολόγοι μηχανικοί που χρησιμοποιούν τις εξαιρετικές ηλεκτρικές του ιδιότητες ως ημιαγωγούς. Επιπλέον, το καρβίδιο του πυριτίου αποτελεί αναπόσπαστο μέρος σύνθετης θωράκισης, όπως η θωράκιση Chobham ή οι κεραμικές πλάκες που βρίσκονται σε αλεξίσφαιρα γιλέκα.

Ο Edward Goodrich Acheson συνέθεσε για πρώτη φορά τεχνητά το SiC το 1891, ενώ προσπαθούσε να παράγει συνθετικά διαμάντια. Ενώ δημιούργησε σκληρούς, μπλε-μαύρους κρυστάλλους τους οποίους ονόμασε καρμπορούνδιο λόγω της λανθασμένης διάγνωσης ως ένωση που μοιάζει με κορούνδιο, η μέθοδός του έχει γίνει έκτοτε η βάση της μεγαλύτερης παραγωγής SiC σήμερα.

Η καθαρότητα των κρυστάλλων που παράγονται σε κλίβανο Acheson ποικίλλει ανάλογα με την απόστασή τους από την πηγή θερμότητας της αντίστασης γραφίτη- όσοι βρίσκονται πιο κοντά σε αυτήν τείνουν να είναι διαυγείς, ενώ όσοι βρίσκονται πιο μακριά τείνουν να γίνονται πιο σκούροι λόγω της πρόσμιξης αζώτου ή αλουμινίου, που μειώνουν την αγωγιμότητα. Μεγάλοι μονοκρύσταλλοι που παράγονται εμπορικά μέσω τροποποιημένων διεργασιών Lely ή φυσικής μεταφοράς ατμών.

Ασφάλεια

Η σκόνη καρβιδίου του πυριτίου μπορεί να είναι μια ενοχλητική ενόχληση που μπορεί να συμβάλει στη μη προοδευτική πνευμονική ίνωση και να προκαλέσει ερεθισμό της μύτης και των ματιών. Η παρατεταμένη έκθεση μπορεί ακόμη και να οδηγήσει σε πνευμονοκονίαση - μια χρόνια πάθηση των πνευμόνων με συμπτώματα που περιλαμβάνουν ανωμαλίες στις ακτινογραφίες θώρακος και απώλεια της πνευμονικής λειτουργίας- επιπλέον αυξάνει τον κίνδυνο για φυματίωση.

Λόγω της ανώτερης σκληρότητας και ακαμψίας της, η θωράκιση από ανθρακονήματα παρέχει βαλλιστική προστασία με πολύ χαμηλότερο βάρος προϊόντος από τις παραδοσιακές λύσεις από χάλυβα.

Οι πυρηνικές εφαρμογές κάνουν χρήση της επένδυσης SiC λόγω της εξαιρετικής απόδοσης ακτινοβολίας, ξεπερνώντας το Zry-4 σε επίπεδα τάσης Tresca της πρωτογενούς τάσης Tresca και πέραν αυτής, διατηρώντας ένα αποδεκτό περιθώριο διακοπής λειτουργίας. Επιπλέον, διαθέτει χαμηλότερη διατομή απορρόφησης νετρονίων- τόσο η επένδυση SS-310 όσο και η επένδυση FeCrAl παρουσιάζουν οριακά πιο αρνητικές τιμές MTC στο BOL από ό,τι το SiC- ωστόσο, αυτό μειώνεται σημαντικά μετά από 5 s LBLOCA λόγω της διεύρυνσης Doppler των γόνιμων νετρονίων.