Χημικός τύπος για το καρβίδιο του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι μια εξαιρετικά σκληρή και συνθετικά παραγόμενη κρυσταλλική ένωση πυριτίου και άνθρακα, η οποία αναφέρεται ευρέως ως καρβορουνδία.

Η σκληρότητα Mohs 9 το καθιστά παρόμοιο με το διαμάντι και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως λειαντικό και σε πυρίμαχα προϊόντα όπως οι επενδύσεις κλιβάνων.

Το πυρίτιο είναι ένα άλλο υλικό με μεγάλες δυνατότητες για εφαρμογές υψηλής ισχύος, προσφέροντας πολυάριθμους πολυτύπους με διαφορετικές κρυσταλλικές δομές.

Χημικός τύπος

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι μια συνθετικά παραγόμενη και εξαιρετικά σκληρή κρυσταλλική ένωση πυριτίου και άνθρακα με χημικό τύπο SiC. Ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά στη φύση από τον Henri Moissan στο Devil's Canyon της Αριζόνα και αργότερα συντέθηκε με τη χρήση ηλεκτρικής θερμότητας από τον Αμερικανό εφευρέτη Edward Acheson το 1891, χρησιμοποιώντας λεπτά αλεσμένα άτομα πυριτίου που συγχωνεύονται με άτομα άνθρακα - η διαδικασία αυτή χρησιμοποιείται σήμερα για την κατασκευή βιομηχανικών λειαντικών όπως γυαλόχαρτο και τροχοί λείανσης- επιπλέον χρησιμοποιούνται πυρίμαχες επενδύσεις για φούρνους- χρησιμοποιείται εκτενώς από ημιαγωγικά ηλεκτρονικά συστήματα που απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες ή τάσεις- υπάρχει στη φύση ως μοισσανίτης.

Το καρβίδιο του πυριτίου έχει ενδοθερμική τυπική μεταβολή ενθαλπίας ανά mole 1124,9 kJ/mol, μια εξαιρετικά θετική τιμή και ενδεικτική μιας εξώθερμης αντίδρασης. Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να παραχθεί με διάφορες διεργασίες- ένας συνηθισμένος τρόπος περιλαμβάνει την ανάμιξη καθαρής πυριτικής άμμου (SiO2) με κοκ σε κλίβανο ηλεκτρικού τόξου σε υψηλές θερμοκρασίες για να σχηματιστούν μπλοκ καρβιδίου του πυριτίου, τα οποία θρυμματίζονται περαιτέρω και εξευγενίζονται περαιτέρω μέσω θραύσης, πλύσης με οξύ-βάση, μαγνητικού διαχωρισμού με κοσκίνισμα ή τεχνικών διαχωρισμού με νερό.

Το καθαρό καρβίδιο του πυριτίου έχει άχρωμη πυκνότητα 3,21 g/cm3 και εξάχνωση στους 2700 βαθμούς Κελσίου- είναι αδιάλυτο στο νερό. Στην πράξη, ωστόσο, λόγω των προσμίξεων που υπάρχουν κατά τη βιομηχανική παραγωγή καρβιδίου του πυριτίου (όπως ο σίδηρος ή άλλα ιχνοστοιχεία), συνήθως σχηματίζονται κίτρινοι έως πράσινοι έως κυανόμαυροι ιριδίζοντες κρύσταλλοι. Το καρβίδιο του πυριτίου δρα ως ηλεκτρικός μονωτής στις πιο καθαρές μορφές του, αλλά με πρόσμιξη αζώτου ή φωσφόρου μπορεί να γίνει τύπου n, ενώ το βηρύλλιο ή το αλουμίνιο μπορούν να το μετατρέψουν σε τύπου p και να παράγουν ημιαγωγικές ιδιότητες σε εφαρμογές ημιαγωγών.

Υπάρχουν περισσότερες από 250 κρυσταλλικές δομές καρβιδίου του πυριτίου, οι οποίες ορίζονται από τη διάταξη στοίβαξης των ατόμων πυριτίου και άνθρακα. Αυτοί οι πολυτύποι καρβιδίου του πυριτίου ποικίλλουν ως προς την ευθραυστότητά τους, τη σκληρότητα, την αντοχή τους σε χημικές αντιδράσεις και την ολκιμότητά τους - από το ρομβοειδές αστεροειδές σχήμα που μοιάζει με διαμάντι (γνωστό ως 3/SiC), το οποίο είναι εξαιρετικά σκληρό και εύθραυστο, έως το πιο ολκιμό γυάλινο άμορφο σχήμα που είναι γνωστό ως 2/SiC.

Φυσικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα βιομηχανικό ορυκτό κρυσταλλικό υλικό που λειτουργεί τόσο ως κεραμικό όσο και ως ημιαγωγός. Γνωστό για τον συνδυασμό σκληρότητας και αντοχής του, οι άλλες φυσικές ιδιότητες του SiC το καθιστούν κατάλληλο για πολλές λειαντικές εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών, όπως μέσα λείανσης για εφαρμογές λείανσης μετάλλων, καθώς και για πυρίμαχα υλικά φούρνων, εργαλεία κοπής, γυαλόχαρτα, εξαρτήματα κινητήρων αεριωθούμενων αεροσκαφών και εφαρμογές υποστρώματος υποστρώματος λαμπτήρων LED. Το SiC χρησιμοποιείται συχνά σε αυτούς τους ρόλους.

Το SiC είναι μια ανόργανη ένωση που αποτελείται από πυρίτιο και άνθρακα με βαθμολογία στην κλίμακα Mohs 9. Σχηματίζει γκρίζα έως καφέ στερεά που ανήκουν στην ομάδα των καρβιδίων των ορυκτών- στις φυσικές μορφές του περιλαμβάνεται ο μοισσανίτης. Το καθαρό SiC σχηματίζει άχρωμους κρυστάλλους, ενώ προσμίξεις όπως άζωτο ή αλουμίνιο παράγουν πράσινες ή μπλε αποχρώσεις στην κρυσταλλική του μορφή.

Λόγω της εξαιρετικής σκληρότητας, της χημικής αδράνειας και του χαμηλού συντελεστή θερμικής διαστολής, το πολυανθρακικό πλαστικό είναι εξαιρετικά ανθεκτικό στη διάβρωση. Με θερμοκρασίες που φτάνουν έως και 1400 βαθμούς C χωρίς απώλεια μηχανικής αντοχής - γεγονός που το καθιστά εξαιρετική επιλογή υλικού για εξαρτήματα που πρέπει να λειτουργούν σε σκληρά περιβάλλοντα, όπως εναλλάκτες θερμότητας και αναφλεκτήρες φλόγας.

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να παραχθεί μέσω διαφόρων διεργασιών που παράγουν ένα ευρύ φάσμα εσωτερικών και εξωτερικών μικροδομών, συνήθως με διαφοροποιήσεις στη στοιχειομετρία. Συνηθέστερα συναντώνται εξαγωνικές τετραεδρικές (α-SiC) και κυβικές δομές (β-SiC), αν και οι πολυτύποι που προέρχονται από αυτές μπορούν επίσης να συνδυαστούν για την επίτευξη διαφορετικών φυσικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων.

Ο χημικός δεσμός του καρβιδίου του πυριτίου μεταξύ Si και C σχηματίζει ισχυρούς ομοιοπολικούς τετραεδρικούς δεσμούς που δημιουργούν ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ κάθε τετραέδρου, συνδέοντας και στοιβάζοντάς τα σε πολικές δομές που προσδίδουν σε αυτό το υλικό τις ηλεκτρικές του ιδιότητες. Το ίδιο το καρβίδιο του πυριτίου δρα ως εξαιρετικός μονωτής, αλλά, με κάποια προσεκτική πρόσμιξη ή εισαγωγή προσμίξεων ή προσμίξεων, μπορεί να εκφράσει ιδιότητες ημιαγωγού- ούτε επιτρέπει την ελεύθερη ροή του ρεύματος ούτε το απωθεί πλήρως όπως η αλουμίνα ή το καρβίδιο του βορίου, δημιουργώντας έτσι μια μέση λύση μεταξύ των δύο αυτών υλικών, γεγονός που έχει καταστήσει το καρβίδιο του πυριτίου ανεκτίμητο πλεονέκτημα όταν χρησιμοποιείται για εφαρμογές εξερεύνησης του διαστήματος καθώς και για εφαρμογές βαθιάς εξόρυξης πετρελαίου και φυσικού αερίου. Το υλικό αυτό έχει αποδείξει τη χρήση του σε πολλά απαιτητικά έργα εξερεύνησης του διαστήματος καθώς και σε εφαρμογές εξόρυξης πετρελαίου και φυσικού αερίου σε μεγάλο βάθος σε όλο τον κόσμο.

Μηχανικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου, ένα μη οξειδωτικό κεραμικό υλικό, είναι ένα από τα σκληρότερα, ισχυρότερα και πιο προηγμένα υλικά που χρησιμοποιούνται σε προϊόντα όπως λειαντικά, πυρίμαχα υλικά, κεραμικά και άλλα. Λόγω του ευρύτερου χάσματος ζώνης του βρίσκει επίσης χρήση σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα.

Ο Έντουαρντ Άτσεσον έγραψε ιστορία όταν το 1891 συνέθεσε τεχνητά σκόνη διαμαντιού για βιομηχανικά λειαντικά, ανακαλύπτοντας μικρούς μαύρους κρυστάλλους σε ένα ηλεκτρικά θερμαινόμενο τήγμα άνθρακα και αλουμίνας. Ο Acheson αλέθει αυτούς τους κρυστάλλους σε σκόνη για χρήση ως βιομηχανικά λειαντικά. Η ανακάλυψη του Acheson επαληθεύτηκε από τον βραβευμένο με Νόμπελ χημικό Henri Moissan, όταν το 1905 ανακάλυψε διαφανείς μορφές του, γνωστές ως ορυκτό moissanite, μέσα σε έναν μετεωρίτη Canyon Diablo που βρίσκεται στην Αριζόνα.

Το καρβίδιο του πυριτίου δημιουργείται επί του παρόντος με τη θέρμανση αλουμίνας και πυριτίας μαζί σε υψηλές θερμοκρασίες υπό ελεγχόμενο περιβάλλον, και στη συνέχεια με τη διαμόρφωση σε μπλοκ ή σφαιρίδια για χρήση σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές. Η εξαιρετικά σκληρή επιφάνεια του καρβιδίου του πυριτίου το καθιστά χρήσιμο για λείανση, κοπή, διάτρηση και φρεζάρισμα, ενώ η θερμική του αγωγιμότητα παρέχει μεγάλη θερμική αγωγιμότητα, ενώ η χημική του αντοχή παρέχει εξαιρετική χημική αντοχή.

Οι ιδιότητες του καρβιδίου του πυριτίου το έχουν καταστήσει ιδανικό για χρήση σε μεγάλα αστρονομικά τηλεσκόπια και υποσυστήματα διαστημικών σκαφών, συμπεριλαμβανομένων των κατόπτρων. Λόγω της ακαμψίας του και του χαμηλού συντελεστή θερμικής διαστολής του αποτελεί εξαιρετικό υλικό βάσης, καθώς δεν διαστέλλεται ούτε συστέλλεται όταν οι θερμοκρασίες αυξομειώνονται.

Η εξαιρετική αντοχή στην τριβή και την κρούση καθιστούν το κεραμικό ένα εξαιρετικό υλικό για εφαρμογές φθοράς, όπως τροχοί λείανσης και ακροφύσια αμμοβολής, ενώ η αντοχή του το καθιστά επίσης κατάλληλο για πυρίμαχα και κεραμικά εξαρτήματα, όπως επενδύσεις φούρνων και επιστρώσεις ανθεκτικές στη φθορά.

Το ευρύ χάσμα ζώνης του καρβιδίου του πυριτίου του επιτρέπει να άγει τον ηλεκτρισμό πιο αποτελεσματικά από άλλους ημιαγωγούς, καθώς τα ηλεκτρόνια χρειάζονται λιγότερη ενέργεια για να μεταβούν από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Επιπλέον, αυτή η αύξηση της αποδοτικότητας το βοηθά να αντέχει καλύτερα υψηλότερες τάσεις και συχνότητες από τα ανταγωνιστικά υλικά, καθώς το μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα του επιτρέπει σε περισσότερα ηλεκτρόνια να κινούνται ταυτόχρονα.

Ηλεκτρικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου διαθέτει μοναδικές ηλεκτρικές ιδιότητες που του επιτρέπουν να ανταποκρίνεται σε πολλές εφαρμογές κυκλωμάτων υψηλής απόδοσης. Στην καθαρή του κατάσταση, το καρβίδιο του πυριτίου δρα ως ηλεκτρικός μονωτής- ωστόσο, η προσθήκη μικρών ποσοτήτων προσμίξεων - συγκεκριμένα η πρόσμιξη αλουμινίου - του επιτρέπει να εκφράσει ημιαγωγικές ιδιότητες. Συγκεκριμένα, η πρόσμιξη αλουμινίου δημιουργεί ένα ημιαγωγικό υλικό τύπου p.

Οι ιδιότητες των ημιαγωγών με ευρύ χάσμα ζώνης είναι ιδιαίτερα επωφελείς σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλές τάσεις, όπως τα ηλεκτρονικά ισχύος και άλλες εφαρμογές ισχύος. Αυτοί οι ημιαγωγοί μπορούν να αντέξουν δέκα φορές μεγαλύτερη ένταση ηλεκτρικού πεδίου διάσπασης από τους κανονικούς ημιαγωγούς πυριτίου, καθιστώντας τους κατάλληλους για συσκευές που εκτίθενται σε ακραία επίπεδα τάσης.

Το SiC ξεχωρίζει ως ένα ελκυστικό υλικό λόγω της ανώτερης αντίστασής του στη ροή ρεύματος σε σχέση με αυτή που συναντάται στο πυρίτιο σε ισοδύναμη τάση, μειώνοντας σημαντικά την ενέργεια που χάνεται σε θερμότητα εντός των συσκευών και εξαλείφοντας την ανάγκη για δαπανηρά ενεργά συστήματα ψύξης που προσθέτουν βάρος, πολυπλοκότητα και κόστος σε ένα προϊόν.

Η χαμηλή θερμική διαστολή του καρβιδίου του πυριτίου το καθιστά ένα επιθυμητό υλικό καθρέφτη για μεγάλα αστρονομικά τηλεσκόπια, όπου μπορεί να αναπτυχθεί σε δίσκους έως και 3,5 m (11 πόδια). Επιπλέον, λόγω της ανθεκτικότητας, της ακαμψίας και της εξαιρετικής θερμικής αγωγιμότητας αποτελεί εξαιρετικό υλικό βάσης για ηλεκτρονικά εξαρτήματα σε περιβάλλοντα όπου οι δονήσεις μπορεί να προκαλέσουν βλάβες.

Το πυρίτιο εξακολουθεί να είναι το πρώτο υλικό ημιαγωγών στα σύγχρονα ηλεκτρονικά, ωστόσο οι εφαρμογές υψηλής ισχύος αρχίζουν να δείχνουν τα όριά του. Το καρβίδιο του πυριτίου προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα που αντιμετωπίζουν αυτές τις ελλείψεις, συμπεριλαμβανομένης της ιδιότητας του ημιαγωγού με ευρύ χάσμα ζώνης - που ορίζεται ως η ενέργεια που απαιτείται για την απελευθέρωση ενός ηλεκτρονίου από την τροχιά γύρω από έναν πυρήνα- που μετράται σε ηλεκτρονικά βολτ ή eV. Το καρβίδιο του πυριτίου έχει τιμή ηλεκτρονιοβόλτ σχεδόν τριπλάσια από εκείνη του τυπικού πυριτίου.

Το καρβίδιο του πυριτίου εμφανίζεται στη φύση ως το εξαιρετικά σπάνιο ορυκτό μοισσανίτης, που συνήθως βρίσκεται σε ελάχιστες ποσότητες μέσα σε μετεωρίτες, κοιτάσματα κορούνδιο και κιμπερλίτη. Από το 1893 κατασκευάζεται εμπορικά σε μορφή σκόνης για χρήση ως λειαντικό, ενώ συχνά συνδυάζεται με άλλους κόκκους για τη δημιουργία σκληρών κεραμικών που σχηματίζουν πολύ σκληρά κεραμικά που συνδέονται μεταξύ τους με κάθε κόκκο για να σχηματίσουν σκληρές ανθεκτικές ενώσεις, όπως φρένα και συμπλέκτες για φρένα και συμπλέκτες αυτοκινήτων, καθώς και κεραμικές πλάκες που χρησιμοποιούνται σε αλεξίσφαιρα γιλέκα και δίοδοι εκπομπής φωτός ως ανιχνευτές στα πρώιμα ραδιόφωνα.