Silīcija karbīda struktūra

Silīcija karbīds (SiC) ir īpaši ciets sintētisks materiāls, ko 1891. gadā pirmo reizi sintezēja Edvards Ačons krāsnī, karsējot oglekli un alumīnija oksīdu. Kopš 20. gadsimta 20. gados SiC sāka izmantot rūpniecībā kā rūpniecisku abrazīvu, tas ātri kļuva par vienu no vispieprasītākajiem materiāliem plašā mērogā.

SiC ir dažādu kristālisko struktūru, kas pazīstamas kā politipi; lieljaudas lietojumiem vislabāk piemērots 4H-SiC heksagonālās atomārās struktūras politips.

Fizikālās īpašības

Silīcija karbīds ir smalka keramika ar daudzveidīgām fizikālajām īpašībām, kas to padara par vienu no visdaudzpusīgākajiem ugunsizturīgajiem materiāliem tirgū. No tā izturības, cietības, izturības pret koroziju un augstā kušanas punkta līdz tā daudzpusīgumam ekstrēmos inženiertehniskajos lietojumos, piemēram, sūkņu gultņos, vārstos, smilšu strūklas inžektoros un ekstrūzijas presformās, silīcija karbīds ir pierādījis sevi kā būtisku mūsdienu elektronisko ierīču elementu. Papildus šīm iespaidīgajām mehāniskajām īpašībām silīcija karbīds kā neaizstājama sastāvdaļa piedāvā arī nozīmīgas pusvadītāju īpašības.

Tīrs silīcija karbīds ir bezkrāsaina kristāliska viela, kuras blīvums ir 3,21 g/ml un kušanas temperatūra pārsniedz 2700 grādus pēc Celsija. Bieži tiek ražots Ačesona procesā, kur silīcija smiltis un koksu apvieno un karsē augstā temperatūrā elektriskajā krāsnī, līdz silīcija smiltis karbonizējas, veidojot rupjkristāliskas struktūras, piemēram, a-SiC, bet b-SiC lietņos veidojas dimanta kubiskas struktūras.

Alfa-SiC ir visbiežāk sastopamais silīcija karbīda polimorfs, kam raksturīga sešstūraina kristāliskā struktūra, līdzīga virtcītam. Beta-SiC formas ar dimanta kubisku kristālisko struktūru visbiežāk sastopamas meteorītos; turklāt šī forma bieži tiek izmantota rūpnieciskajā ražošanā, kausējot un lejot dažādus izstrādājumus.

Ķīmiskās īpašības

Silīcija karbīds ir izturīga bezoksīda keramika ar ievērojamām fizikālām un ķīmiskām īpašībām: augstu cietību un stingrību, zemu termiskās izplešanās ātrumu un izcilu izturību pret koroziju. Turklāt tā plašā joslas sprauga padara to piemērotu lielas jaudas elektronikas lietojumiem.

Ūdens, alkohols un lielākā daļa skābju, izņemot fluorūdeņražskābi un skābos fluorīdus, to nešķīdina, nodrošinot augstāku ķīmisko stabilitāti salīdzinājumā ar lielāko daļu citas ugunsizturīgās keramikas.

Silīcija karbīdu pirmo reizi mākslīgi sintezēja Edvards Ačons 1891. gadā kā nejaušu blakusproduktu elektriski karsētam oglekļa un alumīnija oksīda kausējumam, un tas ir kļuvis par vienu no pasaulē svarīgākajām rūpnieciskajām keramikām, ko izmanto gan kā abrazīvu materiālu tērauda sakausējumiem, gan kā strukturālo keramiku.

Silīcija karbīdam piemīt cieši sakārtots tetraedru izkārtojums, kas ir kovalenti savienots kopā. Dažādas sakārtojuma secības veido dažādus politipus, no kuriem katrs atšķiras ar atšķirīgām fizikālām un ķīmiskām īpašībām.

Alfa formai (a-SiC) ir heksagonāla kristāliskā struktūra, kas līdzīga virtcītam, bet tās beta versijai (b-SiC) ir cinka blende kristāliskā struktūra, kas līdzīga dimantam. Abas SiC šķirnes var viegli apstrādāt ar ierobežotiem cietības ierobežojumiem, un tās var slīpēt dažādās formās, lai izmantotu kā abrazīvus izstrādājumus vai teleskopu spoguļus, kas ir populāri šo materiālu lietojumi.

Elektriskās īpašības

Silīcija karbīds ir pusvadītāju materiāls, kas nozīmē, ka tam piemīt dažas īpašības, kuras piemīt gan metāliem (kas vada elektrību), gan nemetāliem, piemēram, izolatoriem (kas ir pret elektrības plūsmu). Precīzs tā elektrisko īpašību raksturs ir atkarīgs no temperatūras un kristāliskajā struktūrā esošajiem piemaisījumiem - zemākās temperatūrās tas darbojas vairāk kā izolators, kas pretojas elektrības plūsmai, bet augstākā temperatūrā tas kļūst vairāk līdzīgs vadītājam un ļauj elektrībai caur to plūst.

SiC kristālisko struktūru veido slāņi, ko veido silīcija un oglekļa atomi, kas saistīti tetraedrālās konfigurācijās. Šie cieši sakārtoti slāņi veido blīvi sakārtotu struktūru, kas rada dažādas kristāliskās struktūras, ko sauc par politipiem; katram politipam ir vienāds ķīmiskais sastāvs, bet atšķirīga kristāliskā struktūra, kas ietekmē tā elektriskās īpašības. Katra politipa slāņu sakārtošanas secība var veidot kubisku, heksagonālu vai rombveida kristālisko struktūru.

SiC ir pievilcīgs materiāls augstsprieguma enerģijas ierīcēm, jo tā tetraedriskā kristāliskā struktūra un plašā elektroniskās joslas sprauga padara to īpaši piemērotu diodēm un tranzistoriem. SiC plašākā elektroniskā joslu atstarpe ļauj tam izturēt lielākus elektriskos lauka pārrāvumus nekā silīcijam, vienlaikus samazinot komutācijas zudumus, kas palīdz uzlabot energoefektivitāti. Turklāt porainā silīcija karbīda elektrovadītspēju var modificēt, to dopējot ar piemaisījumiem, lai panāktu gan augstāku elektrovadītspēju, gan sprieguma spēju, ko var izmantot efektīvos jaudas pārveidotājos, kas paredzēti elektromobiļu enerģijas pārveidotājiem.

Mehāniskās īpašības

Silīcija karbīds ir ārkārtīgi ciets, ķīmiski inerts materiāls, kas dabā sastopams kā melnie dimanti ar Mosa cietības pakāpi 9. Tam piemīt daudzas izdevīgas īpašības, tostarp temperatūras stabilitāte, zems termiskās izplešanās ātrums un izturība pret ķīmisko iedarbību, tāpēc tas ir ideāli piemērots kā pusvadītāju materiāls.

Litija oksīds ir izcils elektriskais izolators ar desmit reizes augstāku sprieguma pretestības koeficientu nekā silīcijs, tāpēc tas kļūst arvien pievilcīgāks kā silīcija aizstājējmateriāls energoelektronikā un citos jaudīgos lietojumos.

SiC tiek veidots, izmantojot dažādas polimorfas kristāliskās struktūras, kurām katrai ir savs īpašs atomu izkārtojums. Trīs visbiežāk ražotie SiC politipi ir 3C-SiC, 4H-SiC un 6H-SiC; tie atšķiras ar slāņu sakārtošanas secību, kas rada atšķirīgas fizikālās un mehāniskās īpašības.

Nesen veiktie pētījumi par atsevišķiem SiC nanopavedieniem ar dažādiem ODD strukturālās aizņemtības koeficientiem tika testēti stiepes testos in-situ ar SEM, lai novērtētu to stiprību un elastību, bīdes moduli, katras fāzes Puasona koeficienta aprēķinus, mehāniskās anizotropijas analīzi, atklāja, ka Pm-SiC ir spēcīgākas bīdes īpašības salīdzinājumā ar b-SiC un Pnnm-SiC NWs; turklāt stiprība palielinājās, pieaugot ODD aizņemtības koeficientam, līdz tika sasniegts 32,6%, pēc tam stiprība sāka eksponenciāli samazināties.