Silicio karbidas

Silicio karbidas (SiC) yra išskirtinė medžiaga, pasižyminti puikiomis fizikinėmis savybėmis. Ji atspari aukštai temperatūrai, korozijai ir dilimui, o jos šiluminio plėtimosi koeficientas yra mažas.

Natūraliai moisanitas natūraliai aptinkamas labai ribotais kiekiais kaip mineralas, o vėliau buvo masiškai gaminamas Edwardo G. Achesono elektriniu periodinio degimo būdu, kuris tęsiamas iki šių dienų.

Charakteristikos

Silicio karbidas pasižymi išskirtiniu cheminiu ir mechaniniu atsparumu plačiame temperatūrų spektre, yra atsparus korozijai ir dilimui dėl didelio tamprumo modulio ir mažo šiluminio plėtimosi koeficiento. Be to, silicio karbidas pasižymi geru atsparumu šiluminiam smūgiui, nors ir mažesniu nei struktūrinės keramikos cirkonio oksidas.

SiC paprastai yra elektros izoliatorius, tačiau, kontroliuojamai pridėjus priemaišų, jis gali tapti elektrai laidus. Praturtintas aliuminiu, borais ar galiu jis tampa P tipo puslaidininkiu, o azoto ar fosforo priemaišos suteikia N tipo puslaidininkio savybių.

Grynas pramoninis SiC dėl geležies priemaišų yra nuo rudos iki juodos spalvos. Kadangi SiC yra daugialypė puslaidininkinė medžiaga, jo kristalinės struktūros skiriasi pagal tai, kaip anglies ir silicio atomai surikiuojami į tetraedrus; dėl to pastovioje temperatūroje jis gali būti arba izoliatorius, arba laidininkas; be to, jis išlieka netirpus vandenyje ir alkoholyje, bet atsparus daugumai organinių rūgščių, šarmų ir druskų.

Paraiškos

Silicio karbido keramika naudojama daugelyje sričių: nuo abrazyvinių ir pjovimo įrankių, konstrukcinių medžiagų (neperšaunamų liemenių ir kompozitinių šarvų), automobilių dalių, tokių kaip stabdžių diskai ir žaibolaidžiai, iki didelio atsparumo korozijai ir dilimui aplinkose, pavyzdžiui, naftos chemijos gamyklose ar dūmų dujų nusierinimo sistemose.

SiC maitinimo įtaisai naudojasi plataus pralaidumo puslaidininkio savybėmis, kad galėtų laidžiai veikti aukštesnėmis įtampomis, todėl galima sukurti kompaktiškesnes energijos konversijos sistemas su mažesniais energijos nuostoliais ir trumpesne konversijos trukme. Be to, SiC prietaisai lenkia silicio analogus pagal perjungimo srovės ir temperatūros charakteristikas, palyginti su silicio analogais, todėl galutinių produktų efektyvumas gerokai padidėja.

Silicio karbidas (SiC) dėl unikalaus fizikinių ir elektroninių savybių derinio sparčiai keičia galios elektroniką. Iš SiC pagaminti MOSFET ir Šotkio diodai yra plačiai naudojamos galios puslaidininkių technologijos, kurios sudaro pagrindinius elektrinių transporto priemonių traukos inverterių ir borto įkroviklių, taip pat įkrovimo stotyse esančių DC/DC keitiklių komponentus, o tai reiškia, kad elektromobilių akumuliatorių veikimo nuotolis padidėja, o pramoninių įrenginių efektyvumas padidėja.

Gamyba

Iš silicio karbido galima pagaminti daugybę įvairios paskirties medžiagų. Mechanikos inžinieriai juo remiasi kaip pažangia keramika dėl jo tvirtumo, kietumo, atsparumo korozijai ir dilimui, taip pat elektros inžinieriai, kurie naudoja jo išskirtines elektrines savybes kaip puslaidininkį. Be to, silicio karbidas yra neatsiejama sudėtinių šarvų, tokių kaip Chobhamo šarvai ar neperšaunamų liemenių keraminės plokštelės, dalis.

1891 m. Edvardas Goodrichas Achesonas pirmą kartą dirbtinai susintetino SiC bandydamas pagaminti sintetinius deimantus. Jis sukūrė kietus, mėlynai juodus kristalus, kuriuos pavadino karborundu, nes jie buvo klaidingai pavadinti į korundą panašiu junginiu, tačiau nuo to laiko jo metodas tapo daugumos SiC gamybos pagrindu.

Achesono krosnyje pagamintų kristalų grynumas priklauso nuo jų atstumo nuo grafito rezistoriaus šilumos šaltinio; arčiausiai jo esantys kristalai būna skaidrūs, o toliau esantys - tamsesni dėl azoto ar aliuminio dopingo, kuris sumažina laidumą. Dideli pavieniai kristalai, komerciškai gaminami modifikuotais Lely procesais arba fiziniu garų pernešimu.

Sauga

Silicio karbido dulkės gali būti dirginantis trukdis, kuris gali prisidėti prie neprogresuojančios plaučių fibrozės ir sukelti nosies bei akių dirginimą. Ilgalaikis poveikis gali net sukelti pneumokoniozę - lėtinę plaučių ligą, kurios simptomai - pakitimai krūtinės ląstos rentgeno nuotraukose ir plaučių funkcijos praradimas; be to, padidėja tuberkuliozės rizika.

Dėl ypatingo kietumo ir standumo anglies pluošto šarvai užtikrina balistinę apsaugą, o jų svoris yra daug mažesnis nei tradicinių plieninių sprendimų.

Branduolinėje energetikoje SiC apvalkalas naudojamas dėl jo išskirtinių švitinimo savybių, pranokstančių Zry-4, esant pirminiam Tresca įtempių lygiui ir didesniam, tačiau išlaikant priimtiną išjungimo atsargą. Be to, ji pasižymi mažesniu neutronų sugerties skerspjūviu; tiek SS-310, tiek FeCrAl dangos turi šiek tiek daugiau neigiamų MTC verčių esant BOL nei SiC; tačiau po 5 s LBLOCA šis rodiklis gerokai sumažėja dėl vaisingų neutronų Doplerio išplėtimo.