Szilícium-karbid Meghatározás

A szilíciumkarbid (SiC) egy szervetlen kerámiaanyag, amelyet széles körben használnak mechanikai és hőigényes alkalmazásokban, és keménységét tekintve a bórkarbid és a gyémánt után a második helyen áll.

A karborundumot először Edward G. Acheson amerikai feltaláló fedezte fel 1891-ben, amikor mesterséges gyémántokat próbált előállítani, és azóta a vágószerszámok és tűzálló bélések nélkülözhetetlen alkotóelemévé vált.

Keménység

A szilícium-karbid lenyűgöző fizikai tulajdonságokkal rendelkezik, mégis gyakran félreértik és félreértelmezik. A keménységet gyakran összetévesztik a szilárdsággal; valójában inkább az anyagok deformációval szembeni ellenállására utal, mint merevségére vagy merevségére.

Az anyagok keménységét a mikroszilárdság vagy a kisméretű nyírási modulus határozza meg minden irányban, nem pedig a merevség vagy Young-modulus, amely különböző tényezőktől függ, beleértve a geometriát és a kémiai összetételt; például a szilíciumkarbid sokkal keményebb, mint a gyémánt, de kevésbé merev, mint például az ozmium vagy a volfrám.

A keményebb anyagok általában ellenállóbbak a sérülésekkel szemben, ugyanakkor kevésbé rugalmasak vagy rugalmasak, mint lágyabb társaik - ezért a szívósságot és a keménységet néha felváltva használják.

A szilíciumkarbid büszkélkedhet az összes kristályos vegyület közül a legnagyobb keménységgel, bár nem egészen olyan kemény, mint a gyémánt. A szilíciumkarbidot iparilag csiszolóanyagként és más kohászati és tűzálló alkalmazásokban, valamint kerámiagyártásban használják, de a természetes drágakövek alternatívájaként szintetikus moissanit ékszerként is megtalálható.

A szilíciumkarbidot tartalmazó kompozitok keménysége a SiC tömegarányával arányosan nő, mivel a mátrixba ágyazódva jobban ellenállnak a sérüléseknek és a nyíróerőknek.

Hővezető képesség

A szilíciumkarbid nagy hővezető képességgel rendelkezik, ami azt jelenti, hogy könnyen átadja a hőt. Ez az anyagon belüli molekuláris rezgések és a molekulák közötti érintkezés révén történik; a vastagságában mért hőmérsékleti gradiensek, valamint az alkotóelemek sűrűsége és kristályszerkezete alapvető szerepet játszanak ebben az átvitelben.

A hővezető képesség alapvető jellemzője a fejlett kerámiák, például az autóipari fékekben és tengelykapcsolókban használtak előállításának, mivel lehetővé teszi, hogy ezek az anyagok magasabb hőmérsékleten működjenek mechanikai tulajdonságaik elvesztése nélkül. A kerámiát széles körben használják golyóálló mellény anyagaként is, mivel szilárdsága törés nélkül képes ellenállni a rendkívül nagy erőhatásoknak.

A SiC nagy vezetőképessége lehetővé teszi, hogy a SiC-vel készült félvezetők sokkal magasabb frekvencián és hőmérsékleten működjenek, mint a szilíciumalapú tranzisztorok és diódák, ami csökkenti a teljesítményveszteséget, miközben növeli a megbízhatóságot.

A szilíciumkarbid kémiai összetétele miatt rendkívül stabil, korrózióálló anyag, így az egyik legtartósabb ipari és kohászati kerámia, amely ma kapható. Kiválóan ellenáll az olyan vegyi anyagokkal szemben, mint a sósav, a kénsav és a fluorvizes sav, valamint a tömény lúgok, például a nátrium-hidroxid. Továbbá a szilíciumkarbidot magas hőmérsékleten is meg lehet olvasztani, hogy erős kötéseket alakítson ki üveggel vagy más törékeny anyagokkal, például kerámiával.

Elektromos vezetőképesség

A SiC elektromos vezetőképessége felbecsülhetetlen értékű anyaggá teszi az energetikai alkalmazásokban, különösen azokban, amelyek nagy mennyiségű áramot igényelnek. Lenyűgöző elektromos tulajdonságainak köszönhetően a SiC a szilícium félvezetők életképes alternatívájává vált olyan igényes felhasználási területeken, mint az elektromos autók teljesítményelektronikája és a Marsra vagy a Vénuszra telepített szondák műszerei (Mantooth, Zetterling és Rusu).

A SiC nagy elektromos vezetőképessége a széles sávhézagának tulajdonítható. A valenciasáv és a vezetési sáv közötti rés határozza meg, hogy egy anyag vezető vagy szigetelő-e. Tágas rés esetén az elektronok szabadon mozoghatnak a valenciasávból a vezetési sávba, míg szigetelő esetén a rés átlépése rendkívül nagy energiát igényel.

Az n-típusú SiC kémiai gőzzel történő beszivárgása (CVI) vagy polimer impregnálás-pirrolízise (PIP) a mátrixba két-három nagyságrenddel növeli az elektromos vezetőképességet magas hőmérsékleten, mivel a kristályok kisebb sávhézaggal rendelkeznek, mint a tiszta szilíciumkarbid. Ez a növekedés a nagyobb elektromos vezetőképességű új SiC-kristályok kialakulásának tulajdonítható.

A Si-SiC anyag elektromos vezetőképessége 105-107 Ohm*cm között van, mivel alacsony hőtágulási sebessége és elektromos vezetőképessége 105-107 Ohm*cm négyzetcentiméterenként, így alkalmas a nagy áramot, hőmérsékletet, erózióállóságot és korrózióvédelmet igénylő alkalmazásokhoz. Ilyen tulajdonságok kombinációjával a Si-SiC ideális jelöltként tűnik ki.

Kémiai összetétel

A szilíciumkarbid szén- és szilíciumatomokból áll, amelyek négyoldalú szerkezetbe rendeződve, erős kötésekkel összekötve alkotják a kristályszerkezetét. Ezek az erős kötések adják a szilíciumkarbid rendkívül kemény és szívós felületét, amely vegyi anyagokkal szemben is ellenálló; tartóssága megvédi a savas támadásoktól, valamint az akár 1600 fokos hősokkoktól is. Ezenfelül kiváló ütésállósága alkalmassá teszi olyan alkalmazásokhoz, ahol a fizikai kopás is szerepet játszik, például szórófejek, sörétes fúvókák vagy ciklonok alkatrészei esetében.

A kerámia nanorészecskék az egyik legkönnyebb, legerősebb és legkeményebb fejlett kerámia anyag. Kiváló elektromos tulajdonságokkal büszkélkedhet, kiváló hővezető képességgel és alacsony hőtágulási együtthatóval; emellett félvezető anyagként ellenáll a magas hőmérsékleteknek.

A szilícium-karbid széles sávhézagú félvezető, így alkalmas a teljesítményelektronikában. Feszültségállósága 10-szer nagyobb, mint a hagyományos szilíciumé, és a nagy sebességgel vagy magas hőmérsékleten működő rendszerekben a gallium-nitriddel szemben kiemelkedik.

A szintetikus gyémántot elsősorban csiszolóanyagként való felhasználásra szintetikusan állítják elő; a szintetikus gyémánt egyéb alkalmazásai között azonban szerepelhetnek lapidáris alkalmazások is. A szintetikus gyémántot hosszú tartóssága és kopással szembeni ellenállóképessége miatt a modern lapidáriumokban gyakran használják összetevőként, mivel tartós és ellenálló a kopási sérülésekkel szemben. Továbbá a szintetikus gyémánt csiszolóanyagként is megtalálható csiszolószerszámokban, autóalkatrészekben és tűzálló anyagokban - valamint kemény, tartós és hasznos, ha más kemény és tartós anyagokkal, például acéllal és volfrámkarbiddal kombinált anyagokkal kombinált megmunkálási alkalmazásokban a jobb eredmények érdekében.