Τι είναι το καρβίδιο του πυριτίου;

Το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται σε ηλεκτρονικές συσκευές που ενισχύουν, μετασχηματίζουν ή μετατρέπουν σήματα σε ηλεκτρικά κυκλώματα. Λόγω της χαμηλότερης αντίστασης τάσης και των θερμοκρασιακών δυνατοτήτων του, οι συσκευές αυτές μπορούν να λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες με λιγότερες απώλειες ισχύος.

Το SiC παράγεται μέσω ηλεκτρικού κλιβάνου με τη διαδικασία Acheson και με θέρμανση πυριτικής άμμου αναμεμειγμένης με άνθρακα, συνήθως από πετρελαϊκό κοκ, σε ηλεκτρικό κλίβανο. Το τελικό προϊόν αυτής της διαδικασίας είναι μικροί κρυσταλλικοί κόκκοι με πράσινες ή μαύρες αποχρώσεις ανάλογα με τα επίπεδα καθαρότητας.

Χαρακτηριστικά

Το καρβίδιο του πυριτίου (sic) είναι ένα ομοιοπολικά συνδεδεμένο ανοιχτό γκρι στερεό υλικό με εξαιρετικά υψηλό σημείο τήξης και ισχυρή αντοχή στη διάβρωση, ενώ διαθέτει εξαιρετική αντοχή σε θερμικά σοκ και κραδασμούς, καθώς και ακαμψία, αντοχή και πυκνότητα. Η κρυσταλλική δομή του αποτελείται από στενά στοιβαγμένα πρωτογενή τετράεδρα συντονισμού που αποτελούνται από τέσσερα άτομα πυριτίου συνδεδεμένα με τέσσερα άτομα άνθρακα, τα οποία είναι διατεταγμένα εξαγωνικά μέσα σε εξαγωνικές μονάδες για ευκολότερη διαδικασία κατασκευής- αυτά τα πρωτογενή τετράεδρα συντονισμού παρέχουν ενδιαφέρουσες ηλεκτρικές ιδιότητες - όπως το να ενεργεί ως μονωτής σε καθαρή μορφή, ενώ προσμίξεις με άλλα στοιχεία μπορούν να παρουσιάσουν ημιαγωγιμότητα ή αγωγιμότητα όταν είναι προσμίξεις με άλλα στοιχεία.

Λόγω της σκληρής, λειαντικής του φύσης και των ιδιοτήτων αντοχής στη φθορά, το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό ως λειαντικό για εφαρμογές λείανσης, αμμοβολής, λείανσης και κοπής με υδροβολή, καθώς και σε εφαρμογές μεταλλουργίας και παραγωγής χάλυβα από τα τέλη του 19ου αιώνα. Επιπλέον, το καρβίδιο του πυριτίου παίζει αναπόσπαστο ρόλο στην κατασκευή κεραμικών δίσκων φρένων για αυτοκίνητα, μειώνοντας την τριβή και τις εκπομπές θορύβου.

Οι ημιαγωγοί καρβιδίου του πυριτίου διαθέτουν σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των ημιαγωγών πυριτίου σε ηλεκτρονικές εφαρμογές, όπως 10 φορές μεγαλύτερη ένταση ηλεκτρικού πεδίου διάσπασης, σημαντικά χαμηλότερη αντίσταση στρώματος ολίσθησης ανά επιφάνεια και μεγαλύτερη ανοχή στην τάση αντοχής (600 V έως χιλιάδες V). Τα λεπτά στρώματα του καρβιδίου του πυριτίου επιτρέπουν επίσης στις συσκευές να επιτυγχάνουν μικρότερα μεγέθη και υψηλότερες πυκνότητες ισχύος - οδηγώντας στην υιοθέτησή του για χρήση σε συστήματα διαχείρισης ισχύος ηλεκτρικών οχημάτων, τα οποία υποστηρίζουν αυξημένη απόσταση κίνησης της μπαταρίας.

Εφαρμογές

Το καρβίδιο του πυριτίου διαθέτει εξαιρετικές τριβολογικές ιδιότητες, υψηλή αντοχή και αντίσταση στη διάβρωση και μπορεί να λειτουργήσει σε υψηλές θερμοκρασίες χωρίς υποβάθμιση ή ρωγμές. Το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται ως μέρος εργαλείων καρβιδίου βολφραμίου καθώς και σε εφαρμογές αμμοβολής ως λειαντικό.

Οι δίσκοι καρβιδίου του πυριτίου, που χρησιμοποιούνται συνήθως σε ηλεκτρονικές συσκευές, απαιτούν λιγότερη ενέργεια από τους αντίστοιχους του πυριτίου για να λειτουργούν αποτελεσματικά σε υψηλότερες τάσεις, θερμοκρασίες, συχνότητες και θερμικές αγωγιμότητες- επιπλέον, διαθέτουν μεγαλύτερη αντοχή στη θερμική αγωγιμότητα και ανοχή σε θερμικά σοκ, οδηγώντας σε μικρότερα παθητικά εξαρτήματα με μειωμένο βάρος και κόστος συνολικά σε σύγκριση με τις λύσεις που βασίζονται στο πυρίτιο. Οι δίοδοι Schottky και τα MOSFET (τόσο σε διακριτή συσκευασία όσο και σε συσκευασία μονάδας ισχύος) αποτελούν δημοφιλή παραδείγματα χρήσεων αυτού του υλικού.

Ωστόσο, η παραγωγή του απαιτεί μια περίπλοκη διαδικασία που περιλαμβάνει ανάμιξη, θραύση και πυροσυσσωμάτωση των πρώτων υλών πριν μετατραπεί σε πυκνή μαύρη ή γκρίζα σκόνη που μπορεί στη συνέχεια να κοπεί ή να αλεσθεί σε συγκεκριμένα μεγέθη για διάφορες χρήσεις.

Η Washington Mills προσφέρει καρβίδιο πυριτίου CARBOREX(r) σε διάφορες χημικές ενώσεις και μεγέθη για την εξυπηρέτηση μιας σειράς βιομηχανιών, όπως η λειαντική αμμοβολή, η κεραμική μόνωση, τα μεταλλουργικά πυρίμαχα πυρίμαχα πυρίμαχα σύρματα Πριόνισμα με σύρμα Αντοχή στη φθορά. Η ομάδα των ειδικών μας είναι εδώ για να σας δείξει όλες τις δυνατότητές του!

Κατασκευή

Το καρβίδιο του πυριτίου Sic παράγεται μέσω πυροσυσσωμάτωσης ενός λεπτόκοκκου μείγματος πρώτων υλών. Αυτές οι πρώτες ύλες μπορεί να περιλαμβάνουν διάφορα στοιχεία όπως άμμο και πετρελαϊκό κοκ ή ακόμη και δύο ή περισσότερα διαφορετικά υλικά που αναμειγνύονται σύμφωνα με συγκεκριμένες αναλογίες πριν τοποθετηθούν σε κλίβανο ηλεκτρικού τόξου και θερμανθούν μέχρι υψηλές θερμοκρασίες. Τα σωματίδια του κοκ ή της άμμου καίγονται για να παραχθεί άνθρακας, ο οποίος στη συνέχεια συνδέεται με το πυρίτιο για να σχηματίσει αυτό που γνωρίζουμε ως καρβίδιο του πυριτίου.

Το ακατέργαστο καρβίδιο του πυριτίου εξευγενίζεται μέσω διαλογής, άλεσης και χημικών επεξεργασιών για την παραγωγή τελικών κόκκων και σκονών κατάλληλων για διάφορες χρήσεις. Το μαύρο-γκρι καρβίδιο του πυριτίου με μόνο το διαμάντι και το κυβικό νιτρίδιο του βορίου να είναι σκληρότερα χρησιμοποιείται συνήθως για τη δημιουργία κεραμικών πλακών που χρησιμοποιούνται σε αλεξίσφαιρα γιλέκα - προσφέροντας αξιόπιστη βαλλιστική προστασία ενώ ταυτόχρονα είναι σημαντικά ελαφρύτερο από τις επιλογές θωρακισμένου χάλυβα ή οξειδίου του αλουμινίου.

Το καθαρό καρβίδιο του πυριτίου είναι σπάνιο στη φύση και πρέπει να παραχθεί τεχνητά με συνθετικά μέσα. Η μέθοδος Lely περιλαμβάνει τη θέρμανση ενός χωνευτηρίου από γρανίτη σε υψηλές θερμοκρασίες για την εξάχνωση σκόνης καρβιδίου του πυριτίου σε κρυστάλλους που στη συνέχεια εναποτίθενται σε υποστρώματα γραφίτη σε χαμηλότερες θερμοκρασίες με μια άλλη διαδικασία γνωστή ως εξάχνωση. Όταν ολοκληρωθούν, οι κρύσταλλοι μπορούν στη συνέχεια να κοπούν στα επιθυμητά μεγέθη και σχήματα πριν προστεθούν με προσμίξεις όπως το βόριο για να παραχθεί αγωγιμότητα τύπου P στο SiC.

Ασφάλεια

Η αντοχή του καρβιδίου του πυριτίου στις υψηλές θερμοκρασίες και την ακτινοβολία το καθιστούν ιδανικό υλικό για τα ηλεκτρονικά σε διαστημόπλοια που λειτουργούν στην καυτή επιφάνεια της Αφροδίτης με τους 460 βαθμούς Κελσίου και στις έντονες ατμοσφαιρικές πιέσεις του Δία. Τα ηλεκτρονικά από καρβίδιο πυριτίου που είναι ανθεκτικά στην ακτινοβολία θα επιτρέψουν μικρότερα διαστημόπλοια, την προσθήκη περισσότερων επιστημονικών οργάνων σε κάθε αποστολή και λειτουργίες μεγαλύτερης διάρκειας - οδηγώντας σε μείωση του μεγέθους και του βάρους, ενώ παράλληλα θα βελτιωθεί η διάρκεια των αποστολών.

Τα σύνθετα υλικά με μήτρα SiC ενισχυμένη με συνεχείς ίνες (SiCf/SiC) είναι πολλά υποσχόμενα υλικά για τα πρώτα τοιχώματα και τις κουβέρτες των μελλοντικών αντιδραστήρων σύντηξης, καθώς διαθέτουν πολλές επιθυμητές ιδιότητες, όπως μηχανική απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες με ανώτερη ανοχή σε βλάβες από το μονολιθικό SiC [1,2], εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα και μειωμένη ενεργοποίηση στην επαγόμενη από νετρόνια ραδιενέργεια [3-6].

Το Σχήμα 9α-γ δείχνει ότι, σύμφωνα με τα αποτελέσματα της δομικής ανάλυσης που παρουσιάζονται εδώ, τόσο η επένδυση SS-310 όσο και η επένδυση Zry-4 παρουσιάζουν παρόμοια περιθώρια ασφαλείας κατά τη διάρκεια των διαστημάτων πρωτογενούς τάσης Tresca ενός LBLOCA, ωστόσο το SiC φαίνεται να προσφέρει μεγαλύτερα περιθώρια λόγω των ανώτερων τιμών πρωτογενούς τάσης Tresca και των τιμών αντοχής σε εφελκυσμό από το Zry-4.

Το Σχήμα 11 δείχνει ότι τα αποτελέσματα της χωρικής αυτοπροστασίας ποικίλλουν ανάλογα με τον τύπο της επένδυσης, όπως φαίνεται από το Σχήμα 11. Όπως φαίνεται για κάθε μοντέλο (SiC ή SS-310), η συσσώρευση Pu-239 διαφέρει κατά τη διάρκεια δοκιμών LBLOCA με σφαιρίδια καυσίμου από καθένα από αυτά, οδηγώντας σε μεγαλύτερη συγκέντρωση Pu-239 κοντά στα αντίστοιχα μοντέλα επένδυσης (το μοντέλο SS-310 είναι πιο πιθανό) κατά τη διάρκεια του MOL και του EOL από το μοντέλο SiC.