Silīcija karbīda ķīmiskā formula

Silīcija karbīds (SiC) ir ārkārtīgi ciets un sintētiski iegūts silīcija un oglekļa kristālisks savienojums, ko tautā dēvē par karborundu.

Mosa cietības rādītājs ir 9, tāpēc tas ir līdzīgs dimantam, un to var izmantot kā abrazīvu un ugunsizturīgos izstrādājumos, piemēram, krāsns oderējumā.

Silīcijs ir vēl viens materiāls ar lielu potenciālu lieljaudas lietojumiem, kas piedāvā daudzus politipus ar dažādu kristālisko struktūru.

Ķīmiskā formula

Silīcija karbīds (SiC) ir sintētiski ražots un ārkārtīgi ciets silīcija un oglekļa kristālisks savienojums ar ķīmisko formulu SiC. Pirmo reizi to dabīgā veidā atklāja Henrijs Moisāns (Henri Moissan) Velna kanjonā, Arizonā, un vēlāk, izmantojot elektrisko siltumu, 1891. gadā sintezēja amerikāņu izgudrotājs Edvards Ačsons (Edward Acheson), izmantojot smalki samaltus silīcija atomus, kas sakausēti kopā ar oglekļa atomiem - šo procesu tagad izmanto rūpniecisku abrazīvu, piemēram, smilšpapīra un slīpripu, izgatavošanai; papildus izmanto ugunsizturīgajos krāsns oderējumos; plaši izmanto pusvadītāju elektronikā, kur nepieciešama augsta temperatūra vai spriegums; dabā sastopams moisanīta formā.

Silīcija karbīda endotermiskās standarta entalpijas izmaiņas uz vienu moli ir 1124,9 kJ/mol, kas ir ļoti pozitīva vērtība un norāda uz eksotermisku reakciju. Silīcija karbīdu var ražot, izmantojot dažādus procesus; viens no izplatītākajiem veidiem ir tīra silīcija smilšu (SiO2) sajaukšana ar koksu elektriskā loka krāsnī augstā temperatūrā, veidojot silīcija karbīda blokus, kurus tālāk sasmalcina un attīra, izmantojot smalcināšanas, skābes un bāzu mazgāšanas, magnētiskās separācijas sijāšanas vai ūdens separācijas metodes.

Tīra silīcija karbīda blīvums ir 3,21 g/cm3, un tas sublimējas 2700 grādos pēc C; tas nešķīst ūdenī. Tomēr praksē rūpnieciskajā silīcija karbīda ražošanā esošo piemaisījumu (piemēram, dzelzs vai citu mikroelementu) dēļ parasti veidojas dzelteni, zaļi vai zilganīgi melni pārkrāsojoši kristāli. Silīcija karbīds tīrā veidā darbojas kā elektriskais izolators, bet, to papildinot ar slāpekli vai fosforu, to var pārveidot par n-tipu, savukārt berilijs vai alumīnijs to var pārveidot par p-tipu un iegūt pusvadītāju īpašības pusvadītāju lietojumos.

Ir vairāk nekā 250 silīcija karbīda kristālisko struktūru, ko nosaka silīcija un oglekļa atomu sakopojums. Šie silīcija karbīda politipi atšķiras pēc trausluma, cietības, izturības pret ķīmiskām reakcijām un plastiskuma - no rombveida rombveida zvaigžņveida struktūras (pazīstamas kā 3/SiC), kas ir ārkārtīgi cieta un trausla, līdz plastiskākai stiklveida amorfai formai, kas pazīstama kā 2/SiC.

Fizikālās īpašības

Silīcija karbīds (SiC) ir rūpniecisks minerālkristālisks materiāls, kam piemīt gan keramikas, gan pusvadītāju īpašības. SiC ir pazīstams ar savu cietības un izturības kombināciju, bet citas fizikālās īpašības padara to piemērotu daudziem abrazīviem lietojumiem, kas saistīti ar augstām temperatūrām, tostarp slīpēšanas materiāliem metālu slīpēšanai, kā arī krāsns ugunsizturīgajiem materiāliem, griezējinstrumentiem, smilšpapīriem, reaktīvo dzinēju detaļām un LED spuldžu substrātu substrātiem. SiC bieži tiek izmantots šajos nolūkos.

SiC ir neorganisks savienojums, kas sastāv no silīcija un oglekļa, kura vērtība pēc Mosa skalas ir 9. Tas veido pelēkas līdz brūnas cietvielas, kas pieder karbīdu minerālu grupai; dabiskās formas ir moisanīts. Tīrs SiC veido bezkrāsainus kristālus, bet piemaisījumi, piemēram, slāpeklis vai alumīnijs, rada zaļas vai zilas nokrāsas kristāla formā.

Polikarbonāta plastmasa ir ļoti izturīga pret koroziju, jo tā ir ārkārtīgi cieta, ķīmiski inerta un ar zemu termiskās izplešanās koeficientu. Tā temperatūra sasniedz līdz pat 1400 grādiem pēc C, nezaudējot mehānisko izturību, tāpēc tas ir lielisks materiāls, ko var izmantot komponentiem, kuriem jādarbojas skarbā vidē, piemēram, siltummaiņiem un liesmu aizdedzinātājiem.

Silīcija karbīdu var ražot vairākos procesos, kas rada dažādas iekšējās un ārējās mikrostruktūras, parasti ar stehiometrijas variācijām. Visbiežāk sastopamas sešstūrainas tetraedriskas (a-SiC) un kubiskas struktūras (b-SiC), lai gan no tām iegūtos politipus var arī kombinēt, lai iegūtu dažādas fizikālās un elektriskās īpašības.

Silīcija karbīda ķīmiskā saite starp Si un C veido spēcīgas kovalentās tetraedriskās saites, kas veido spēcīgas kovalentās saites starp katru tetraedru, savienojot un sakraujot tos polārajās struktūrās, kas piešķir šim materiālam tā elektriskās īpašības. Silīcija karbīds pats par sevi darbojas kā lielisks izolators, bet, uzmanīgi dopējot vai ieviešot piemaisījumus vai piedevas, var izpausties kā pusvadītājs; neļaujot brīvi plūst strāvai, ne arī pilnībā to atgrūžot kā alumīnija oksīds vai bora karbīds, tādējādi radot vidusceļu starp abiem šiem materiāliem, kas ir padarījis silīcija karbīdu par nenovērtējamu priekšrocību kosmosa izpētes lietojumos, kā arī dziļā naftas un gāzes ieguves lietojumos. Šis materiāls ir pierādījis savu pielietojumu vairākos sarežģītos kosmosa izpētes projektos, kā arī dziļās naftas un gāzes ieguves lietojumos visā pasaulē.

Mehāniskās īpašības

Silīcija karbīds, keramikas materiāls, kas nav oksīds, ir viens no cietākajiem, izturīgākajiem un modernākajiem materiāliem, ko izmanto tādos izstrādājumos kā abrazīvi, ugunsizturīgie materiāli, keramika un citi. Pateicoties tā plašākai joslas joslai, to izmanto arī elektroniskajos komponentos.

Edvards Ačons iegāja vēsturē, kad 1891. gadā mākslīgi sintezēja dimanta pulveri rūpnieciskiem abrazīviem materiāliem, atklājot mazus melnus kristālus elektriski karsētā oglekļa un alumīnija oksīda kausējumā. Ačons šos kristālus sasmalcināja pulverī, lai tos varētu izmantot kā rūpnieciskos abrazīvus. Ačsona atklājumu apstiprināja Nobela prēmijas laureāts ķīmiķis Anrī Moisāns, 1905. gadā atklājot caurspīdīgu kristāla formu, kas pazīstama kā moisanīta minerāls, Arizonā esošajā Kanjon Diablo meteorītā.

Silīcija karbīdu pašlaik ražo, augstā temperatūrā un kontrolētā vidē karsējot alumīnija oksīdu un silīcija dioksīdu kopā, pēc tam tos formē blokos vai granulās, lai izmantotu dažādos rūpnieciskos lietojumos. Silīcija karbīda īpaši cietā virsma padara to noderīgu slīpēšanai, griešanai, urbšanai un frēzēšanai, savukārt tā siltumvadītspēja nodrošina lielisku siltumvadītspēju, bet ķīmiskā izturība - izcilu ķīmisko izturību.

Silīcija karbīda īpašības ir padarījušas to ideāli piemērotu izmantošanai lielos astronomiskos teleskopos un kosmosa kuģu apakšsistēmās, tostarp spoguļos. Tā stingrības un zemā termiskās izplešanās koeficienta dēļ tas ir lielisks pamatmateriāls, jo, svārstoties temperatūrai, tas ne izplešas, ne sarūk.

Izcila izturība pret nodilumu un triecienizturība padara keramiku par lielisku materiālu nodilumizturībai, piemēram, slīpēšanas riteņiem un strūklas sprauslām, savukārt tās izturība padara to piemērotu arī ugunsizturīgiem un keramiskiem komponentiem, piemēram, krāsns oderējumam un nodilumizturīgiem pārklājumiem.

Silicija karbīda plašā joslas sprauga ļauj tam vadīt elektrību efektīvāk nekā citiem pusvadītājiem, jo elektroniem nepieciešams mazāk enerģijas, lai no valences joslas pārietu uz vadītspējas joslu. Turklāt šis efektivitātes palielinājums palīdz tam labāk pārvarēt lielākus spriegumus un frekvences nekā konkurējošiem materiāliem, jo lielāka enerģijas sprauga ļauj vienlaicīgi pārvietoties lielākam skaitam elektronu.

Elektriskās īpašības

Silīcija karbīdam piemīt unikālas elektriskās īpašības, kas ļauj to izmantot daudzās augstas veiktspējas shēmās. Tīrā veidā silīcija karbīds darbojas kā elektriskais izolators, tomēr, pievienojot nelielu daudzumu piemaisījumu, jo īpaši alumīnija dopingu, tas var izpausties kā pusvadītājs. Jo īpaši alumīnija dopinga rezultātā tiek iegūts p tipa pusvadītāju materiāls.

Plašas joslas spraugas pusvadītāju īpašības ir īpaši izdevīgas lietojumos, kur nepieciešama augsta sprieguma strāva, piemēram, spēka elektronikā un citos enerģijas lietojumos. Šie pusvadītāji var izturēt desmit reizes lielāku elektriskā lauka caurrāvuma intensitāti nekā parastie silīcija pusvadītāji, tāpēc tie ir piemēroti ierīcēm, kas tiek pakļautas ekstremāliem sprieguma līmeņiem.

SiC izceļas kā pievilcīgs materiāls, jo tā pretestība pret strāvas plūsmu ir lielāka nekā silīcijam pie līdzvērtīga sprieguma, ievērojami samazinot siltuma zudumus ierīcēs un novēršot nepieciešamību pēc dārgām aktīvām dzesēšanas sistēmām, kas palielina produkta svaru, sarežģītību un izmaksas.

Silīcija karbīda zemā termiskā izplešanās padara to par vēlamu spoguļu materiālu lieliem astronomiskajiem teleskopiem, kur to var izaudzēt līdz pat 3,5 m (11 pēdu) gariem diskiem. Turklāt, pateicoties tā izturībai, stingrībai un lieliskajai siltumvadītspējai, tas ir lielisks pamatmateriāls elektroniskiem komponentiem vidē, kur vibrācijas var radīt bojājumus.

Mūsdienu elektronikā silīcijs joprojām ir galvenais pusvadītāju materiāls, tomēr tā lietojumi, kas saistīti ar lielu jaudu, sāk parādīt savas robežas. Silīcija karbīdam ir vairākas priekšrocības, kas novērš šos trūkumus, tostarp tā plašā joslas spraugas pusvadītāja īpašība, ko definē kā enerģiju, kas nepieciešama, lai atbrīvotu elektronu no orbītas ap kodolu; mēra elektronvoltos jeb eV. Silīcija karbīda elektronvoltu vērtība ir gandrīz trīs reizes lielāka nekā standarta silīcijam.

Silīcija karbīds dabā sastopams kā ļoti rets minerāls moisanīts, kas parasti nelielos daudzumos atrodams meteorītos, korunda atradnēs un kimberlītā. Kopš 1893. gada tas tiek komerciāli ražots pulvera veidā, lai to izmantotu kā abrazīvu, bieži vien to kombinē ar citiem graudiem, veidojot cietu keramiku, kas veido ļoti cietu keramiku, kas savienota ar katru graudu, veidojot izturīgus izturīgus savienojumus, piemēram, automašīnu bremzes un sajūgi, kā arī keramikas plāksnes, ko izmanto bruņuvestēs, un gaismas diodes kā detektorus agrīnajos radioaparātos.