Kepadatan Silikon Karbida

Silikon karbida (SiC) adalah salah satu bahan keramik canggih yang paling ringan, paling keras, dan paling kuat dengan ketahanan yang unggul terhadap asam, garam cair, ekspansi termal yang rendah, dan abrasi. Selain itu, kekuatan dan kekakuannya memungkinkannya untuk menahan keausan fisik seperti erosi atau keausan pada nosel semprot atau komponen lain dari suatu aplikasi.

Acheson pertama kali memelopori produksi komersial SiC pada tahun 1891 melalui metode ikatan reaksi atau sintering.

Kepadatan

Silikon karbida (SiC) adalah senyawa kimia anorganik yang terdiri dari silikon dan karbon. Ditemukan secara alami sebagai mineral langka moissanite, SiC juga telah diproduksi secara massal sebagai bubuk atau kristal tunggal sejak tahun 1893 dan digunakan sebagai bahan abrasif. Selain itu, pelat keramik SiC yang digunakan untuk rompi antipeluru mengandung bahan ini, serta ditumbuhkan sebagai semikonduktor untuk membuat lampu LED merah terang yang cahayanya berwarna biru kehijauan yang menjadi bahan permukaan abrasif yang baik.

Silikon karbida memiliki densitas yang sangat padat yaitu 3,21 g cm-3, menjadikannya salah satu senyawa terpadat di Bumi. Meskipun tidak larut dalam air, silikon karbida dapat larut dengan alkali seperti NaOH dan KOH dan bahkan lelehan besi pada suhu yang lebih tinggi dari 2700 derajat Celcius. Selain itu, silikon karbida tidak cepat bereaksi dengan udara atau air tetapi dapat mengalami reaksi kimia pada suhu yang lebih tinggi yang menghasilkan silikon dioksida amorf dan metana sebagai produk sampingan.

Silikon karbida merupakan pilihan bahan yang sangat baik untuk teleskop ruang angkasa karena ketahanan aus yang unggul dan sifat pemuaian dan kekakuan termal yang rendah. Pemuaiannya yang rendah memungkinkan cermin teleskop didinginkan tanpa melengkung atau meleleh selama pendinginan; Teleskop Herschel dan Gaia menggunakan cermin silikon karbida.

Silikon karbida juga dapat digunakan sebagai bahan baku untuk refraktori, karena daya tahannya terhadap suhu ekstrem. Oleh karena itu, penggunaannya sebagai lapisan insulasi pada tungku dan tanur di berbagai industri membuat bahan ini menjadi bagian penting dari pelapis ini. Selain itu, silikon karbida memainkan peran penting dalam memproduksi bahan kaca dan keramik.

Permintaan silikon karbida di seluruh dunia berkembang dengan cepat, terutama di Asia Pasifik. Ekspansi yang cepat di kawasan ini dapat dikaitkan dengan peningkatan penjualan kendaraan listrik dan investasi infrastruktur pengisian daya; selain itu, meningkatnya minat terhadap sumber energi terbarukan akan mendorong permintaan silikon karbida di kawasan ini.

STMicroelectronics N.V. dari Swiss, Infineon Technologies AG dari Jerman, Semiconductor Components Industries LLC dari AS, WOLFSPEED INC dari AS, ROHM Co Ltd dari Jepang adalah beberapa pemain pasar yang secara aktif memperluas kehadiran mereka di pasar silikon karbida global. Untuk melakukan hal ini, para pemain ini telah menerapkan strategi pertumbuhan organik dan anorganik seperti peluncuran produk, perjanjian, kemitraan, akuisisi kontrak kolaborasi, atau ekspansi untuk memperkuat posisi mereka dalam industri global ini.

Modulus Young

Silikon karbida adalah salah satu bahan keramik yang paling keras di dunia, mampu bertahan pada suhu tinggi dan lingkungan kimiawi, serta sangat tahan terhadap korosi, abrasi, dan erosi. Karena karakteristik ini, silikon karbida menjadi bahan konstruksi yang sangat baik dengan kekuatan fatik dan sifat stabilitas dimensi yang sangat baik.

Modulus Young adalah properti material yang mengukur sifat elastisitas sampel, mengukur seberapa besar gaya yang diperlukan untuk menyebabkan defleksi di bawah beban. Uji tarik dapat digunakan untuk menghitung modulus Young, sementara kemiringannya dapat memberikan informasi tentang perhitungan tegangan tekuk dan memungkinkan para insinyur untuk menilai apakah material baru akan memenuhi kriteria aplikasi tertentu.

Penelitian ini mengeksplorasi sifat stabilitas, mekanik, dan termodinamika b-Si1-xC dengan melakukan perhitungan prinsip-prinsip pertama menggunakan teori fungsional densitas (DFT),38 seperti yang diimplementasikan dalam paket energi total serial Cambridge (CASTEP). Interaksi antara ion dan elektron diwakili melalui metode pseudopotensial gelombang yang ditambah bidang; fungsi pertukaran dan korelasi di antara atom-atom dapat dijelaskan baik dengan perkiraan densitas lokal atau perkiraan gradien umum; pada gilirannya, peningkatan doping meningkatkan densitas, volume molar, dan sifat-sifat modulus Young seperti halnya doping pada b-Si1-xC.

Dalam penelitian lain, film a-SiC setebal 100 nm dan 300 nm ditumbuhkan menggunakan PECVD dan karakteristiknya dipelajari menggunakan elipsometri, AFM, dan XRR. Konduktivitas termal dan modulus Young tidak menunjukkan efek skala yang signifikan sementara kerapatan massa film tipis ini secara signifikan lebih rendah daripada SiC curah karena berkurangnya kerapatan ikatan dalam struktur mikro. Akhirnya, sifat mekanik seperti modulus Young yang tinggi dan stabilitas diamati di dalamnya.

Porositas bahan dapat secara langsung dikaitkan dengan modulus Young melalui rasio Poisson, karena rasio Poisson menurun seiring dengan meningkatnya densitas; dengan menggunakan hubungan ini, kita dapat menghitung modulus Young dinamis menggunakan log sonik. Secara rumus:

Konduktivitas Termal

Silikon karbida (SiC) adalah bahan semikonduktor yang menarik dengan konduktivitas termal yang sangat baik dan koefisien muai panas yang rendah, sehingga cocok untuk berbagai aplikasi pembangkitan atau pemindahan panas. SiC dapat ditemukan di cermin teleskop astronomi karena bobotnya yang ringan dan kekakuannya; selain itu, ketahanan suhu tinggi dan konduktivitas termalnya membantu mengurangi distorsi atau degradasi selama pengoperasian.

Konduktivitas termal dalam SiC ditentukan oleh komposisi dan strukturnya, dengan varietas stoikiometri memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi daripada varietas di luar stoikiometri karena elektron bebas memiliki efek yang jauh lebih kecil pada getaran kisi dibandingkan fonon, sumber utama energi panas yang dihasilkan dari kristal yang bergetar. Varietas off-stoikiometri dapat meningkatkan konduktivitas termal dengan penambahan sejumlah kecil Si atau C; namun, konduktivitas termal keseluruhannya masih tertinggal di belakang SiC murni karena elektron bebas memiliki dampak yang jauh lebih kecil pada getaran kisi daripada fonon yang menghasilkan energi panas secara termal.

Ada dua polimorf utama SiC: alfa silikon karbida (a-SiC), dengan struktur kristal Wurtzite, dan beta silikon karbida (b-SiC), yang menampilkan struktur kristal campuran seng. A-SiC merupakan jenis yang lebih umum dengan aplikasi komersial yang luas, sedangkan b-SiC lebih sedikit digunakan dalam aktivitas komersial hingga saat ini.

Penelitian terbaru meneliti pengaruh komposisi fasa dan struktur mikro b-SiC terhadap konduktivitas termalnya. Bahan ini diproduksi melalui sintering plasma percikan fase cair menggunakan Y2O3 dan Al2O3 sebagai alat bantu sintering; pengukuran konduktivitas termal kemudian dibandingkan dengan bahan induknya b-SiC dan hasilnya menunjukkan korelasinya dengan komposisi fasa/struktur mikro campuran sinteringnya.

Konduktivitas termal untuk aluminium curah murni (Al) adalah 237 W/mK, tetapi seringkali jauh lebih rendah untuk film tipis. Analisis termal dan teknik pengukuran respons ultrasonik digunakan untuk menganalisis film tipis yang terbuat dari a-SiC dengan hasil yang serupa - kAl = 210 + 10 W/mK yang sesuai dengan nilai yang dilaporkan dalam literatur mengenai a-SiC curah.

Ketahanan Korosi

Ketahanan korosi silikon karbida di lingkungan asam atau basa sangat luar biasa, menjadikannya bahan yang ideal untuk banyak aplikasi yang keras di mana bahan lain seperti logam akan terdegradasi dengan cepat. Silikon karbida juga merupakan pilihan bahan yang sangat baik untuk segel mekanis yang harus berfungsi di lingkungan kimia yang tidak bersahabat.

Ketahanan korosi silikon karbida sebagian disebabkan oleh strukturnya yang unik. Silikon karbida mengkristal dalam susunan yang saling bertautan dan padat yang terdiri dari atom-atom yang terikat secara kovalen yang membentuk tetrahedra koordinasi primer dengan empat atom karbon dan empat atom silikon yang dihubungkan oleh sudut-sudut ke dalam struktur politipe yang disebut politipe; susunan dan struktur seperti itu juga menjelaskan konduktivitas termal silikon karbida yang tinggi.

Silikon karbida dalam bentuknya yang paling murni adalah isolator listrik; namun, dengan penambahan pengotor secara hati-hati - yang dikenal sebagai dopan - dapat menjadi semikonduktor listrik. Dengan mendoping silikon karbida dengan dopan aluminium, boron, dan galium untuk penggunaan semikonduktor tipe-P; dopan nitrogen dan fosfor menghasilkan perangkat semikonduktor tipe-N untuk tujuan tertentu.

Silikon karbida banyak dimanfaatkan untuk digunakan dalam proses pemesinan abrasif seperti sandblasting, gerinda, dan pemotongan water-jet karena kekerasan dan daya tahannya. Pekerjaan lapidary sering menggunakan silikon karbida karena umurnya yang panjang dan sifat tahan ausnya; selain itu, bahan ini juga menjadi pilihan material yang sangat baik karena umurnya yang panjang dan stabilitas dimensinya. Selain itu, dalam aplikasi manufaktur, ia berfungsi sebagai bahan pelapis tungku serta digunakan dalam berbagai aplikasi metalurgi atau refraktori karena sifatnya yang sangat tahan aus.

Ketahanan korosi adalah faktor kunci yang menentukan seberapa cepat bahan terdegradasi di lingkungan. Oleh karena itu, memilih bahan pelapis anorganik dengan titik leleh yang tinggi, sifat mekanik yang baik, dan kemampuan untuk mentoleransi suhu ekstrem adalah hal yang paling penting ketika melindungi produk dari degradasi dan kontaminasi. Silikon karbida memberikan kualitas ini dan oleh karena itu merupakan pilihan ideal saat memilih bahan pelapis.

Proses saat ini untuk memproduksi karbida silikon untuk digunakan dalam aplikasi abrasif, metalurgi, dan tahan api mencakup dua metode produksi - karbida silikon terikat reaksi (RSiC) dan karbida silikon sinter (SSiC). Karbida silikon berikatan reaksi dibuat dengan menyusupkan campuran kristalit SiC dengan pengikat di bawah suhu dan tekanan; Karbida silikon yang disinter dapat diproduksi dengan menggunakan bubuk SiC murni yang disinter menggunakan alat bantu sintering non-oksida - kedua metode ini menghasilkan produk dengan ketahanan korosi yang sangat baik serta ketahanan terhadap kekerasan/kegagalan yang ekstrem sehingga menghasilkan sifat mekanik yang hebat.