Silicio karbido medžiagos savybės

Silicio karbidas, dažniau vadinamas karborundu, yra išskirtinai kieta keraminė medžiaga, pasižyminti dideliu tvirtumu ir atsparumu dilimui. Be to, jo cheminis inertiškumas leidžia užtikrinti didelį šilumos laidumą ir mažą šiluminio plėtimosi koeficientą, o jis yra labai atsparus oksidacijai ir degradacijai aukštoje temperatūroje.

Priešingai nei įprastų kristalinių medžiagų atveju, a-SiC netvarkinga atominė struktūra iš tikrųjų lemia jo išskirtinį tvirtumą. Ši nepaprasta medžiaga paneigia įprastas medžiagų mokslo sampratas.

Elektrinis laidumas

Silicio karbidas (cheminė formulė SiC) yra viena kiečiausių natūralių medžiagų ir viena tvirčiausių sintetinių medžiagų, pasižyminti vienu mažiausių trinties koeficientų ir išlaikanti savo tvirtumą bei kietumą iki 1400 laipsnių Celsijaus temperatūroje, todėl tai puiki medžiaga komponentų dalims, naudojamoms sudėtingoje pramoninėje aplinkoje. Be to, SiC netirpsta vandenyje ar alkoholyje ir yra itin atsparus korozijai atšiaurioje cheminėje aplinkoje.

Grūdėtas stiklo pluoštas nuo seno naudojamas švitriniam popieriui ir šlifavimo diskams gaminti, o pastaruoju metu vis labiau populiarėja ir kaip medžiaga, naudojama ugniai atspariems įdėklams ir pramoninių krosnių kaitinimo elementams gaminti. Dėl gebėjimo atlaikyti aukštą temperatūrą, cheminį poveikį, mechaninę apkrovą ir dilimą, grūdėtas stiklo pluoštas yra puikus medžiagos pasirinkimas puslaidininkių krosnių plokštelių padėklų atramoms, mentelėms ir kitiems komponentams, taip pat dilimui atsparioms naftos gręžimo mašinų, malūnų trupintuvų ir kitų mašinų dalims. Be to, dėl puikių mechaninių savybių ji yra įtikinama alternatyva naftos gręžimo mašinų dilimui atsparioms dalims, o dėl savo išskirtinio atsparumo dilimui ji tampa geriausia medžiaga, kai reikia dilimui atsparių detalių - jai teikiama pirmenybė prieš metalą, kai reikia naudoti dilimui atsparias naftos gręžimo mašinų dalis, taip pat purškimo ir dengimo sistemas. Galiausiai dėl savo puikių mechaninių savybių jis tampa pageidautina medžiaga renkantis plokštelių padėklų atramas ar padėkliukus arba puslaidininkių krosnių sudedamąsias dalis renkantis plokštelių padėklų atramas ar sudedamąsias dalis tarp puslaidininkių krosnių sudedamųjų dalių.

Silicio karbidas yra patrauklus elektros laidininkas, nepaisant to, kad yra kietas. Silicio karbidą galima legiruoti azotu arba fosforu, kad jis būtų naudojamas kaip n tipo puslaidininkis, arba legiruoti beriliu, boru ir aliuminiu, kad būtų gautas p tipo puslaidininkis. Be to, jo platesnis juostos tarpas gali palaikyti tris kartus didesnę įtampą nei įprastinis silicis, todėl galima kurti lengvesnius ir kompaktiškesnius elektros komponentus, skirtus naudoti automobiliuose.

Palyginti su kita inžinerine keramika, silicio karbidas pasižymi vidutiniu elektriniu ir šiluminiu laidumu, taip pat dideliu Youngo moduliu, todėl gali atlaikyti įvairios pramoninės aplinkos reikalavimus. Be to, palyginti mažas šiluminio plėtimosi koeficientas padeda išvengti drastiškų matmenų pokyčių esant ekstremalioms temperatūroms, o dėl atsparumo šiluminiam smūgiui ir dideliems temperatūrų svyravimams jis yra pageidautinas pasirinkimas, kai kalbama apie elektros energijos paskirstymo izoliatorius.

Aukštos įtampos atsparumas

Silicio karbidas yra kieta ir chemiškai inertiška medžiaga, puikiai toleruojanti karštį, dažnai pasirenkama darbams, kuriems reikia atšiaurios cheminės aplinkos. Be to, dėl išskirtinių tribologinių savybių ši medžiaga yra labai atspari dilimui, atsirandančiam dėl mechaninio įtempimo ar smūginių pažeidimų - idealiai tinka guoliams ir siurbliams, kurie turi atlaikyti sunkias aplinkos sąlygas per ilgesnį tarnavimo laiką.

Silicio karbido atsparumas aukštai įtampai daro jį vertingu elektroninių grandinių komponentu. Šią savybę lemia plačios juostos tarpo puslaidininkio savybės - elektronams perkelti į laidumo juostą reikia mažiau energijos, todėl padidėja pramušamojo elektrinio lauko stipris, o tai leidžia išlaikyti didesnes įtampas - tai ypač naudinga elektros energijos srityse, pavyzdžiui, elektrinių transporto priemonių akumuliatorių valdymo sistemose.

SiC gali pasiekti 10 kartų mažesnius perjungimo nuostolius nei įprastas silicis ir pralenkia galio nitridą didesnės nei 1000 V įtampos sistemose, todėl jis yra esminis šiuolaikinių technologijų, pavyzdžiui, elektromobilių ir saulės energijos keitiklių, elementas.

Silicio karbido keramika pasižymi didesniu atsparumu korozijai, palyginti su kitomis keraminėmis medžiagomis, ir gali atlaikyti tokių cheminių medžiagų, kaip fluoro vandenilio rūgštis, kalio chloratas, sieros rūgštis, chloro dujos, druskos rūgštis ir acto rūgštis, poveikį. Be to, dėl terminio stabilumo ji gali atlaikyti aukštą temperatūrą ir išlikti nepažeista - tai yra privalumas, kai medžiagos yra veikiamos atšiaurios aplinkos, pavyzdžiui, pramonės įmonėse.

Silicio karbidas gaminamas naudojant aukštos kokybės neoksidinius miltelius, kuriuos galima pritaikyti konkrečioms reikmėms. Jis būna įvairių formų: sukepintas, sujungtas reakcijos būdu, skystosios fazės ir kietosios būsenos; sukepintas yra bene populiariausia pramoninė forma dėl stambaus kristalinio sluoksnio, sudaryto iš a-SiC arba b-SiC, kuris išoriniame paviršiuje lieka nesureagavęs su kitomis medžiagomis - paprastai gaminamas aukštoje temperatūroje, naudojant tokius metodus, kaip sausasis presavimas ir išspaudimas, siekiant didžiausio našumo.

Atsparumas aukštai temperatūrai

Silicio karbidas (SiC) yra viena iš kiečiausių, tvirčiausių ir pažangiausių šiuo metu prieinamų inžinerinių keraminių medžiagų. Dėl puikių šilumos laidumo, mažo plėtimosi koeficiento ir atsparumo korozijai savybių SiC yra puiki medžiaga, tinkama naudoti ekstremalių temperatūrų aplinkoje, o dėl savo cheminio inertiškumo jis taip pat yra vertinga papildoma medžiaga, naudojama su agresyviomis cheminėmis medžiagomis.

Silicio karbidą sudaro tvirtai surištos silicio ir anglies atomų struktūros kristalinėje gardelėje, todėl jis yra itin tvirtas. Pagal Moso kietumą (9 balai) jis užima aukščiausią vietą pramoninėje kietumo skalėje, todėl yra itin patvarus fiziniam dėvėjimuisi. Dėl šio patvarumo ir atsparumo dilimui silicio karbidas puikiai tinka pjauti, šlifuoti ir poliruoti kietas trapias medžiagas, pavyzdžiui, stiklą, akmenį, ugniai atsparias medžiagas ir spalvotuosius metalus.

SiC puikiai tinka naudoti aukštoje temperatūroje, įskaitant krosnių komponentus, pavyzdžiui, lydymo krosnių židinio plokštes, rekuperatoriaus vamzdžius ir stūmimo plokštes, taip pat krosnių baldus, pavyzdžiui, degimo žiedus, klotuvo plokštes ir krosnių baldų plytas.

Silicio karbidas ne tik atsparus korozijai ir aukštai temperatūrai, bet ir pasižymi išskirtiniu cheminiu inertiškumu, mechaniniu tvirtumu, atsparumu nuovargiui ir fiziniam dėvėjimuisi - dėl šių savybių jis tinka naudoti, kai reikia atsparumo abrazyvui ir smūgiams, pavyzdžiui, šratasvydžio antgalių ir ciklonų sudedamosioms dalims. Atsparumas fiziniam dilimui yra dar viena pageidautina savybė, dėl kurios silicio karbidas yra patraukli medžiaga.

Silicio karbidas išsiskiria išskirtiniu kietumu ir atsparumu dilimui, tačiau išlieka pakankamai lengvas, kad jį būtų galima lengvai tvarkyti. Be to, jis pasižymi puikiomis vibracijos slopinimo savybėmis, todėl yra ideali medžiaga didelėms mechaninėms apkrovoms ar slėgiui.

Silicio karbidas pasižymi ypatingu atsparumu korozijai ir karščiui, todėl jis yra patraukli medžiaga, kurią galima naudoti elektros įrenginiuose, kuriuose reikia didelio našumo puslaidininkių. Jo atsparumas įtampai yra 10 kartų didesnis nei paprasto silicio, todėl jis lenkia galio nitridą didesnės nei 1000 V įtampos sistemose.

Silicio karbidas būna įvairių polimorfinių kristalinių struktūrų. Alfa silicio karbido (a-SiC) - populiariausia forma, pasižyminti šešiakampe kristaline struktūra, panašia į Wurtzite; o beta silicio karbido (b-SiC) - dažniau aptinkama cinko blende kristalinė struktūra, kuri labiau primena deimantą.

Didelis kietumas

Silicio karbidas pasižymi vienomis aukščiausių mokslui žinomų mechaninių savybių, pagal kietumą pagal Moso skalę nusileidžia tik deimantui. Dėl to jis ypač gerai tinka apsauginėms reikmėms, pavyzdžiui, šarvams ar kūno apsaugai, ir yra puikus šlifavimo ir poliravimo medžiagų pasirinkimas.

Didelį SiC kietumą lemia unikali jo kristalinė struktūra. Šios tetraedrinės struktūros, sudarytos iš glaudžiai sutankintų tetraedrinių silicio ir anglies atomų struktūrų, kurias tvirtomis kovalentinėmis jungtimis jungia sutvarkyta kristalinė gardelė, veikia kaip kaiščiai, neleidžiantys dislokacijoms judėti, o tai lemia kietumą - tuo jis skiriasi nuo kitų inžinerinių keramikų, pavyzdžiui, aliuminio oksido (AlO), kurių kietumas yra mažesnis.

SiC galima dar labiau sustiprinti naudojant itin ploną ir šilumai laidų epitaksinį grafeno sluoksnį, naudojant cheminį nusodinimą iš garų; tačiau dėl ribotų galimybių tokio tipo medžiaga paprastai turi būti gaminama pagal užsakymą.

Silicio karbidas dažnai naudojamas kaip grandinių elementai dėl savo išskirtinės aukštos įtampos varžos. Apskaičiuota, kad silicio karbido atsparumas įtampai yra 10 kartų didesnis nei tradicinio silicio, o atsparumas viršija 1000 V, todėl silicio karbidas yra patraukli medžiaga elektromobiliams, saulės energijos keitikliams ir jutiklių sistemoms.

Silicio karbido kietumas ir mažas šiluminis plėtimasis bei standumas lemia tai, kad jis yra puiki medžiaga, kurią galima naudoti reiklioje aplinkoje, įskaitant 3D spausdinimą, balistiką, chemijos gamybą, energetikos technologijas, taip pat mechaninius sandariklius ir trinties guolius vamzdžių sistemose.

SiC plačiai naudojamas kaip astronominių teleskopų veidrodžių medžiaga dėl savo kietumo, todėl ypač tinka didesniems teleskopams, kurie surenka daugiau šviesos. Be to, dėl savo ilgaamžiškumo ir standumo silicio karbidas taip pat yra puiki medžiaga kosminių laivų posistemėms.