Piikarbidin rakenne ja sovellukset

Piikarbidin poikkeuksellinen lämpötilavakaus, kestävyys, lujuus, korroosionkestävyys ja puolijohdeominaisuudet tekevät siitä ihanteellisen materiaalin tehoelektroniikkaan. Lisäksi doping fosforilla tai galliumilla voisi mahdollistaa n-tyypin piikarbidipuolijohdekantaisen puolijohdekomponentin dopingin.

SiC:tä on saatavana erilaisia polytyyppejä, jotka eroavat toisistaan pii- ja hiiliatomien sijoittelun perusteella niiden ristikkorakenteissa. Kullakin on erilaiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet.

Kemiallinen koostumus

Piikarbidi (SiC) on epäorgaaninen kemiallinen yhdiste, joka koostuu piistä ja hiilestä. Piikarbidi on yksi kovimmista ihmiselle tunnetuista aineista, ja se kilpailee timantin ja boorikarbidin kanssa yhtenä kovimmista tunnetuista aineista. Piikarbidia käytetään monissa teollisissa sovelluksissa, kuten hioma-aineena ja rakennekeramiikkana; lisäksi sitä käytetään tulenkestäviin vuorauksiin, korkean lämpötilan tiileihin, lämmityselementteihin sekä pumppujen ja rakettimoottoreiden kulutusta kestäviin osiin.

SiC:llä on erittäin tiheä atomirakenne, joka johtaa vahvoihin kovalenttisiin sidoksiin pii- ja hiiliatomien välillä, mikä luo vahvat kovalenttiset sidokset kummankin välillä. Atomit ovat järjestäytyneet kahdeksi primaarikoordinaatiotetraedriksi, joissa on neljä pii- ja neljä hiiliatomia, jotka ovat sitoutuneet toisiinsa vahvoilla kovalenttisilla sidoksilla.

Piikarbidi toimii puhtaana sähköeristeenä, mutta lisäämällä siihen seostusaineita, kuten booria ja alumiinia, siitä tulee puolijohde.

Piikarbidia voidaan valmistaa reagoimalla eri raaka-aineita uunissa korkeissa lämpötiloissa. Kun materiaali on tuotettu, se on käsiteltävä sen käyttötarkoituksen mukaisesti - esimerkiksi murskausta, jauhamista tai kemiallista käsittelyä voidaan tarvita ennen kuin se soveltuu käyttötarkoitukseensa.

Piikarbidihiontamateriaali on yksi yleisimmin käytetyistä materiaaleista lapidariassa sen pitkän käyttöiän ja edullisen hinnan vuoksi. Lisäksi piikarbidia on jo pitkään käytetty teollisissa työstöprosesseissa, kuten hionnassa, hoonauksessa ja vesisuihkuleikkauksessa, teollisuuden hioma-aineena. Lisäksi piikarbidin korkea lujuus ja kulutuskestävyys tekevät siitä hyödyllisen monissa kaivos- ja tuotantoympäristöissä, ja sen luodinkestävyys tekee siitä suositun komponentin luodinkestävissä panssariratkaisuissa.

Fysikaaliset ominaisuudet

Piikarbidi (SiC) on erittäin kova, synteettisesti tuotettu piin ja hiilen yhdiste, jota valmistettiin ensimmäisen kerran massatuotantona 1800-luvun lopulla ja jota on sen jälkeen sovellettu nopeasti teollisuudessa. SiC:tä käytettiin aluksi hioma-aineena, mutta pian se kehittyi teollisuuden uunien tulenkestäviksi vuorauksiksi sekä pumppujen ja rakettimoottoreiden kulumiskestäviksi komponenteiksi. Lisäksi sen erinomaisen lämmönjohtavuuden ja alhaisen lämpölaajenemisen ansiosta se on korvaamaton materiaalivalinta elektroniikkakomponenteissa, kuten puolijohteissa ja valodiodeissa, ja sitä käytetään monissa muissa sovelluksissa kuin koskaan aikaisemmin!

Piikarbidin laajan kaistanleveyden ansiosta elektronit kulkevat sen materiaalin läpi nopeammin kuin piissä, mikä tekee siitä ihanteellisen materiaalin elektronien nopeamman liikkuvuuden, korroosionkestävyyden, kulutuskestävyyden, korkean sulamispisteen ja lujuuden korkeissa lämpötiloissa - ominaisuudet, joiden ansiosta tätä materiaalia halutaan käyttää monissa vaativissa sovelluksissa.

Alumiinin kemiallisen inerttiyden, korkean sulamispisteen, korkean lämpötilan kestävyyden ja alhaisen laajenemiskertoimen ansiosta se soveltuu hyvin työkalujen ja koneiden rakentamiseen. Alumiini on myös monien hiontamateriaalien pääainesosa, ja se on olennainen osa monia tulenkestäviä materiaaleja.

Piikarbidin lujuuden, lämmönjohtavuuden ja jäykkyyden yhdistelmä tekee siitä erinomaisen materiaalivalinnan suuriin optisiin teleskooppeihin, kuten Herschel-avaruusteleskoopin peileihin. Lisäksi sen jäykkyys ja lämmönjohtavuus tekevät siitä sopivan myös avaruusalusten osajärjestelmiin, joiden on kestettävä korkeita lämpötiloja tai säteilytasoja.

Kemialliset reaktiot

Piikarbidi on kova materiaali, jolla on huomattavat fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Se koostuu pii- ja hiiliatomeista, jotka on järjestetty järjestettyyn ristikkorakenteeseen, ja sen poikkeuksellinen lujuus ja lämpöstabiilisuus edistävät sen teollista tuotantoa pelkistämällä piidioksidia hiilen kanssa korkeissa lämpötiloissa sähköuunissa. Puhdas piikarbidi on tyypillisesti väritöntä, mutta saastuneet versiot näkyvät usein joko sinertävän mustana tai ruskeana jauheena, mikä johtuu raudan epäpuhtauksista tai muista epäpuhtauksista, jotka saastuttavat sitä.

Alumiini on erittäin luja ja joustava materiaali, jota käytetään hioma-aineiden, hiomalaikkojen, leikkuutyökalujen, autonosien, tulenkestävien tiilien, lämmityselementtien ja korkean lämpötilan keramiikan valmistuksessa. Koska alumiini kestää kemiallisia reaktioita, sen lämpölaajenemisnopeus on alhainen ja se toimii puolijohdekomponenttina, se on erinomainen materiaalivalinta tehoelektroniikan sovelluksiin.

Piikarbidi kestää myös pitkäaikaista altistumista vedelle hajoamatta, joten se on erinomainen materiaalivalinta komponentteihin, joiden on oltava upotettuna nesteisiin, kuten jäähdytysnesteisiin tai ilmaan. On kuitenkin huomattava, että piikarbidi reagoi vetykaasun kanssa korkeammissa lämpötiloissa tuottaen piidioksidia ja metaania; tämä johtuu siitä, että piikarbidin tetraedrinen rakenne altistaa atomit korkeammissa lämpötiloissa vetymolekyyleille, jotka yhdistyvät ilmakehässä olevien happimolekyylien kanssa muodostaen sen pinnalla näkyvää vesihöyryä.

Valmistus

Piikarbidi eroaa monista muista yleisesti käytetyistä materiaaleista siinä, että se on valmistettava. Piikarbidin leikkaaminen vaatii timanttikärkisiä teriä, koska se on yksi kovimmista tunnetuista aineista. Valitettavasti piikarbidin valmistusprosessi voi kuitenkin olla monimutkainen, joten sitä on parannettava, jotta se pysyisi kasvavan kysynnän mukana.

Acheson-prosessi on yksi yleisimmin käytetyistä tuotantomenetelmistä, jossa piidioksidi ja koksi sekoitetaan keskenään, minkä jälkeen ne kuumennetaan korkeisiin lämpötiloihin ja ne reagoivat kemiallisesti keskenään, jolloin syntyy kirkkaanvihreitä kiteitä, jotka ovat tarpeeksi suuria, jotta ne voidaan nähdä, minkä jälkeen seos jäähdytetään kasvun pysäyttämiseksi ja kiteiden kasvun pysäyttämiseksi kokonaan. Jäähdytyksen jälkeen tämä jauhemainen seos voidaan sitten yhdistää oksidittomien sintrauksen apuaineiden (sideaineiden) kanssa, jotta se voidaan tiivistää kylmällä isostaattisella puristuksella tai suulakepuristusmenetelmillä.

Piikarbidi erottuu muista keraamisista materiaaleista laajan kaistaleveytensä ansiosta - joka mittaa elektronien tarvitsemaa energiaeroa, jotta ne voivat hypätä atomin valenssikaistasta johtumiskaistalle - minkä ansiosta se kestää paljon suurempia jännitteitä ja taajuuksia kuin kilpailevat materiaalit.

Piikarbidi on ihanteellinen materiaali puolijohde-elektroniikkaan, joka vaatii vastuslämmitystä vaativissa ympäristöissä, kuten pumppujen laakereissa, pumppujen laakereissa, hiekkapuhallusinjektoreissa, muotissa ja lämmityselementeissä. Lujuutensa, kovuutensa ja kestävyytensä ansiosta piikarbidi on myös erinomainen materiaalivalinta pumppujen laakereihin, pumppujen laakereihin, hiekkapuhallusinjektoreihin, suuttimiin ja lämmityselementteihin - unohtamatta alumiinilla, boorilla tai galliumilla seostettua p-tyypin puolijohteista piikarbidia, joka voisi vähentää aktiivisia jäähdytysjärjestelmiä, jotka lisäisivät painoa ja monimutkaisuutta, kun ne asennetaan sähköajoneuvoihin - mikä auttaisi vähentämään painoa samalla kun se lisää monimutkaisuutta!