Silīcija karbīda definīcija

Silīcija karbīds (SiC) ir neorganisks keramikas materiāls, ko plaši izmanto mehāniski un termiski sarežģītos lietojumos un kas cietības ziņā atpaliek tikai no bora karbīda un dimanta.

Karborundu pirmo reizi atklāja amerikāņu izgudrotājs Edvards G. Ačons, 1891. gadā mēģinot ražot mākslīgos dimantus, un kopš tā laika tas ir kļuvis par neaizstājamu griezējinstrumentu un ugunsizturīgo oderējumu sastāvdaļu.

Cietība

Silīcija karbīdam piemīt iespaidīgas fizikālās īpašības, tomēr tas bieži tiek nepareizi saprasts un interpretēts. Bieži vien cietību jauc ar izturību; patiesībā tā drīzāk attiecas uz materiālu izturību pret deformāciju, nevis stingrību vai stīvumu.

Materiālu cietību nosaka to mikrotrūdamība jeb maza mēroga bīdes modulis visos virzienos, nevis cietība jeb Junga modulis, kas atkarīgs no dažādiem faktoriem, tostarp ģeometrijas un ķīmiskā sastāva; piemēram, silīcija karbīds ir daudz cietāks nekā dimants, bet mazāk ciets nekā, piemēram, osmijs vai volframs.

Cietāki materiāli mēdz būt izturīgāki pret bojājumiem, taču mazāk elastīgi vai elastīgi nekā mīkstāki materiāli - tādēļ reizēm cietība un cietība tiek lietotas savstarpēji aizvietojami.

Silīcija karbīds ir viscietākais no visiem kristāliskajiem savienojumiem, lai gan nav tik ciets kā dimants. Silīcija karbīdu rūpnieciski ražo kā abrazīvu un citos metalurģijas un ugunsizturīgos izstrādājumos, kā arī keramikas ražošanā, un to var atrast arī kā sintētisko moisanīta rotaslietu alternatīvu dabiskajiem dārgakmeņiem.

Silīcija karbīdu saturošiem kompozītmateriāliem cietība palielinās proporcionāli SiC masas procentam, jo tie ir iestrādāti matricā un ir izturīgāki pret bojājumiem un bīdes spēkiem.

Siltumvadītspēja

Silīcija karbīdam piemīt augsta siltumvadītspēja, kas nozīmē, ka tas viegli pārvada siltumu. Tas notiek, pateicoties molekulu vibrācijai un saskarei starp molekulām materiālā; temperatūras gradientiem visā materiāla biezumā, tāpat kā tā sastāvdaļu blīvumam un kristāliskajai struktūrai, ir būtiska nozīme šajā pārnesē.

Siltumvadītspēja ir būtiska īpašība, lai ražotu modernu keramiku, piemēram, tādu, ko izmanto automobiļu bremzēs un sajūgos, kas ļauj šiem materiāliem darboties augstākā temperatūrā, nezaudējot to mehāniskās īpašības. Keramiku plaši izmanto arī kā ložu necaurlaidīgu vestu materiālu, jo tās izturība spēj izturēt ārkārtīgi lielu spēku, nesalūstot.

SiC augstā elektrovadītspēja ļauj pusvadītājiem, kas izgatavoti no SiC, darboties daudz augstākās frekvencēs un temperatūrās nekā silīcija tranzistori un diodes, tādējādi samazinot enerģijas zudumus un vienlaikus palielinot uzticamību.

Silīcija karbīda ķīmiskais sastāvs padara to arī par ļoti stabilu materiālu, kas ir izturīgs pret koroziju, padarot to par vienu no izturīgākajām rūpnieciskajām un metalurģiskajām keramikām, kas pieejamas mūsdienās. Tas var lepoties ar lielisku izturību pret tādām ķīmiskām vielām kā sālsskābe, sērskābe un fluorūdeņražskābe, kā arī pret koncentrētām bāzēm, piemēram, nātrija hidroksīdu. Turklāt silīcija karbīdu var pat kausēt augstā temperatūrā, lai veidotu stipras saites ar stiklu vai citiem trausliem materiāliem, piemēram, keramiku.

Elektriskā vadītspēja

SiC elektrovadītspēja padara to par nenovērtējamu materiālu enerģijas lietojumos, jo īpaši tajos, kuros izmanto lielu strāvas daudzumu. Pateicoties tā iespaidīgajām elektrovadītspējas īpašībām, SiC ir kļuvis par dzīvotspējīgu alternatīvu silīcija pusvadītājiem tādiem sarežģītiem lietojumiem kā elektroautomobiļu energoelektronika un instrumenti uz Marsa vai Veneras zondēm (Mantooth, Zetterling & Rusu).

SiC augsto elektrovadītspēju var izskaidrot ar tā plašo joslas spraugu. Plaisa starp valences un vadītspējas joslām nosaka, vai materiāls ir vai nu vadītājs, vai izolators; ar plašu plaisu elektroni var brīvi pārvietoties no valences joslas uz vadītspējas joslu, savukārt izolatoram šīs plaisas šķērsošanai ir nepieciešams pārāk liels enerģijas daudzums.

Ķīmiskā tvaiku infiltrācija (CVI) vai polimēru impregnēšana-pirolīze (PIP) n tipa SiC matricā paaugstinātā temperatūrā palielina elektrisko vadītspēju par divām līdz trim kārtām, jo veidojas kristāli ar zemākām joslu atstarpēm nekā tīrs silīcija karbīds. Šo palielinājumu var saistīt ar jaunu SiC kristālu veidošanos ar lielāku elektrisko vadītspēju.

Si-SiC materiāla elektrovadītspēja ir no 105 līdz 107 Ohm*cm, jo tā zemais termiskās izplešanās koeficients un elektrovadītspēja ir 105-107 Ohm*cm uz cm kvadrātmetru, tāpēc tas ir piemērots lietojumiem, kur nepieciešama liela strāva, temperatūra, izturība pret eroziju un aizsardzība pret koroziju. Šo īpašību kombinācija padara Si-SiC par ideālu kandidātu.

Ķīmiskais sastāvs

Silīcija karbīds sastāv no oglekļa un silīcija atomiem, kas sakārtoti četrpusīgās struktūrās, kuras savieno stipras saites, kas veido tā kristālisko struktūru. Šīs stiprās saites piešķir silīcija karbīdam ārkārtīgi cietu un izturīgu virsmu, kas ir arī ķīmiski izturīga; tā izturība aizsargā to arī pret skābes iedarbību, kā arī termisko triecienu līdz pat 1600 grādu temperatūrā. Turklāt tā lieliskā izturība pret trieciena bojājumiem padara to piemērotu lietojumiem, kur būtisks faktors ir fiziskais nodilums, piemēram, smidzināšanas sprauslām, strūklas sprauslām vai ciklonu sastāvdaļām.

Keramikas nanodaļiņas ir viens no vieglākajiem, izturīgākajiem un cietākajiem pieejamajiem keramikas materiāliem. Tam piemīt izcilas elektriskās īpašības, teicama siltumvadītspēja un zems termiskās izplešanās koeficients; turklāt tas kā pusvadītāju materiāls ir izturīgs pret augstām temperatūrām.

Silīcija karbīds ir pusvadītājs ar plašu joslas spraugu, tāpēc tas ir piemērots energoelektronikai. Tā pretestība spriegumam ir 10 reizes lielāka nekā parastajam silīcijam, un tas ir pārāks par gallija nitrīdu sistēmās, kas darbojas pie lieliem ātrumiem vai temperatūrām.

Sintētisko dimantu ražo galvenokārt izmantošanai par abrazīvu; tomēr sintētisko dimantu var izmantot arī citos veidos, piemēram, lapidārijā. Sintētisko dimantu tā ilgmūžības un noturības pret abrazīvu dēļ mūsdienu lapidāri bieži izmanto kā sastāvdaļu, jo tas ir izturīgs pret nodilumu un nodilumizturību. Turklāt sintētisko dimantu var izmantot arī kā abrazīvu slīpēšanas instrumentos, automobiļu detaļās un ugunsizturīgos materiālos, kā arī tas ir ciets, izturīgs un noderīgs kombinācijā ar tādiem materiāliem kā tērauds un volframa karbīds, lai uzlabotu rezultātus apstrādes procesos, kombinējot to ar citiem cietiem un izturīgiem materiāliem, piemēram, tēraudu un volframa karbīdu.