Silīcija karbīda īpašības un lietojumi

Silīcija karbīds, labāk pazīstams ar akronīmu SiC, ir viens no vissmagākajiem sintētiskajiem materiāliem, kas šobrīd ir pieejams tirgū, un to plaši izmanto griezējinstrumentos, pateicoties tā cietībai, kā arī ugunsizturīgajos materiālos, pateicoties tā izturībai pret augstu temperatūru un termisko šoku. Tas ir plaši izmantots arī kā pretkorozijas pārklājumu materiāls elektronikā.

SiC ir ārkārtīgi izturīgs heksagonāls ķīmisks savienojums ar plašu joslas spraugu pusvadītāju īpašībām. Tas ļauj SiC izturēt lielākus elektriskos laukus, vienlaikus strādājot ar lielāku ātrumu.

Vadītspēja

Silīcija karbīds tīrā veidā darbojas kā elektriskais izolators; tomēr, pievienojot piemaisījumus vai lecinātājus (lecinātājus izmanto, lai pievienotu lecinātājus, kas maina tā elektrovadītspēju), tā uzvedība mainās, kļūstot pusvadītājam un galu galā atkal pusvadītājam. Ar tādiem elementiem kā alumīnijs, bors, gallijs vai attiecīgi slāpeklis/fosfors (attiecīgi p tipa vai n tipa pusvadītājs).

Silīcija karbīda kristālisko struktūru veido divi primārie koordinācijas tetraedri, kas sastāv no četriem kopā saistītiem silīcija un četriem oglekļa atomiem, radot spēcīgu elektrostatisko mijiedarbību, kas atgrūž protonus, elektronus un neitronus no tā virsmas, tādējādi padarot to izturīgu pret koroziju, ko izraisa daudzi ķīmiskie faktori, piemēram, skābes.

Atgrūžot lādiņa nesējus, palielinās arī tā siltumvadītspēja, padarot materiālu īpaši karstumizturīgu un piemērotu darbam augstākā temperatūrā. Tā kā keramika tik efektīvi pretojas lādiņu nesējiem, to var izmantot pat bruņuvestēs, kur lodes nevar iekļūt caur tās cieto keramikas bloku struktūru.

SiC ir plašāka joslas sprauga nekā standarta silīcija pusvadītājiem, kas nozīmē, ka tas var nodrošināt lielāku spriegumu un frekvenci, vienlaikus apstrādājot lielāku jaudas slodzi, kas ir svarīga īpašība elektronikā, kurai nepieciešama lielāka jauda pie augstākas sprieguma un frekvences, piemēram, elektriskajos transportlīdzekļos un kosmosa kuģu energoelektronikas komponentos.

Izturība

Silīcija karbīda izturība, cietība un izturība pret koroziju padara to par lielisku materiālu augstas veiktspējas inženiertehniskajiem lietojumiem, piemēram, sūkņu gultņiem, vārstiem, smilšu strūklas inžektoriem vai ekstrūzijas veidnēm. Turklāt tā izturība, ķīmiskā inertums un zemā termiskā izplešanās padara to piemērotu ekstrēmiem un augstas temperatūras inženiertehniskajiem lietojumiem.

Silīcija karbīdu, ko biežāk dēvē par karborundu, iegūst, apvienojot silīciju un oglekli, veidojot izturīgu keramiku ar sešstūrainu struktūru. Pateicoties tā plašajai joslas spraugai pusvadītāja īpašību dēļ, silīcija karbīds var izturēt spriegumu, kas 10 reizes pārsniedz silīcija spriegumu.

SiC dabiski sastopams moisanītā, kas pirmo reizi tika atklāts Arizonas Kanjona Diablo meteora krāterī 1893. gadā. Tomēr biežāk šo materiālu ražo sintētiski kā dārgakmeņu un abrazīvo materiālu; parasti elektriskās pretestības krāsnīs, kas darbojas 1700-2500 grādu temperatūrā.

Elkem Processing Services (EPS), kas atrodas Ljēžā, Beļģijā, izmanto reaktīvo saķepināšanu, lai ražotu silīcija karbīdu atbilstoši precīzām klientu specifikācijām visā pasaulē. Šī ražotne var lepoties ar jaunākajām tehnoloģiskajām iespējām, kas ļauj ātri ražot lielus SiC apjomus, kā arī radīt pielāgotus maisījumus, kas īpaši pielāgoti citiem lietojumiem.

Izturība pret koroziju

Silīcija karbīds ir ļoti ciets un nodilumizturīgs materiāls. Tas saglabā savu izturību augstās temperatūrās, tāpēc ir piemērots lietojumiem, kur nepieciešama liela izturība pret termiskiem triecieniem. Turklāt tā izturība pret koroziju padara to piemērotu lielākajai daļai skābju, sārmu un izkausētu sāļu šķīdumu.

Amerikāņu izgudrotājs Edvards Ačons 1891. gadā, meklējot veidus, kā ražot mākslīgos dimantus, atklāja silīcija karbīdu. Lai to izdarītu, karsēja mālu, kas sajaukts ar pulverveida koksu, izmantojot parastu oglekļa loka gaismu un dzirksteļspuldzi, iegūstot spilgti zaļus kristālus, kuru cietība bija tuva dimanta cietībai un kas vēlāk kļuva pazīstami kā karborunds (SiC).

Mūsdienu ražošanas metodes, ko izmanto abrazīvu, metalurģijas un ugunsizturīgo materiālu rūpniecībā, izmanto līdzīgus procesus, kādus izstrādāja Ačons. Izejvielas, piemēram, tīras silīcija smiltis un smalki samaltu ogli koksa veidā, novieto ap oglekļa vadītāju ķieģeļu elektriskās pretestības tipa krāsnī, caur kuru plūst elektriskā strāva; tas izraisa ķīmisku reakciju starp ogli koksa sastāvā un silīciju smiltīs, tādējādi rodas SiC.

Silīcija karbīdam piemīt daudzas vēlamās īpašības, un to bieži kombinē ar citiem metāliem, lai veidotu metāla matricas kompozītus (MMC). MMC apvieno SiC izturību un izturību ar citu metālu vadītspēju. Turklāt MMC ir ļoti izturīgi pret erozijas un korozijas un oksīdu izkliedes bojājumiem.

Spēks

Silīcija karbīds, ko parasti dēvē par karborundu, var lepoties ar neticamu Mosa cietības pakāpi - 9, kas to padara cietāku par dimantu un bora karbīdu. Pateicoties tā izturībai un izturīgumam, silīcija karbīds ir lieliska materiāla izvēle dažādiem lietojumiem, sākot no abrazīviem materiāliem līdz bruņuvestēm - tam piemīt izcila izturība pret nodilumu, vienlaikus saglabājot savu cietību pat ļoti augstā temperatūrā; faktiski silīcija karbīds ir viens no cietākajiem modernās keramikas materiāliem.

Silīcija karbīds ir pusvadītāju materiāls, kas nozīmē, ka elektriskā strāva vai elektromagnētiskie lauki var mainīt tā vadītspēju, padarot to noderīgu elektroniskajās ierīcēs, kas pastiprina, pārslēdz vai pārveido signālus elektriskā ķēdē. Silīcija karbīda pusvadītājiem ir lielāka elektronu kustība un mazāki enerģijas zudumi salīdzinājumā ar silīcija analogiem, tāpēc tie ir ideāli piemēroti ātrdarbīgiem tranzistoriem, diodēm un FET.

Mūsdienu silīcija karbīda ražošana abrazīvu, metalurģijas un ugunsizturīgo materiālu ražošanā līdzinās Ačesona procesam: Tīra silīcija smilšu maisījums, kas sajaukts ar smalki samaltu koksa ogli, tiek salikts ap elektriskās krāsns oglekļa vadītāju; caur šo vadītāju plūst elektrība, lai veicinātu ķīmisko reakciju starp silīciju un ogli, kuras rezultātā rodas gan silīcija karbīds, gan oglekļa monoksīda gāze; visbeidzot granulveida silīcija karbīds tiek samalts līdz vajadzīgajam izmēram un blīvumam, izmantojot speciālas iekārtas.