Silisiumkarbidstruktur og bruksområder

Silisiumkarbid er en ekstremt hard, syntetisk fremstilt krystallinsk forbindelse av karbon og silisium. Det brukes ofte i ildfaste og slitesterke materialer, samt i faststoffkomponenter som lysdioder.

Den amerikanske oppfinneren Edward G. Acheson gjorde denne oppdagelsen da han søkte etter måter å fremstille kunstige diamanter på, og han ga det nye materialet navnet karborundum.

Fysiske egenskaper

Silisiumkarbidets unike kombinasjon av høy varmeledningsevne, lav termisk ekspansjon, hardhet og motstand mot kjemiske angrep gjør det til et allsidig materiale med mange bruksområder, fra slipeverktøy og strukturelt materiale (skuddsikre vester og keramiske bremseplater til bilbremseskiver), til lynavledere og teleskopspeil og lynfangere. SiC brukes dessuten som en integrert del av elektriske kjøretøyer, blant annet i omformere som bidrar til å spare energi mer effektivt og samtidig muliggjør mindre og lettere batteristyringssystemer.

Produsentene produserer kubisk silisiumkarbid enten ved hjelp av karbonbasert syntese eller kjemisk dampavsetning, som begge krever mye energi, utstyr og ekspertise for å lykkes.

Silisiumkarbid inneholder to kovalente bindinger mellom karbonatomene som dannes ved at p-orbitalene overlapper hverandre, noe som gir silisiumkarbid sin karakteristiske glans og fører til det vanlige navnet "moissanitt", selv om naturlige krystaller av moissanitt er relativt sjeldne; det meste av moissanitten som er kommersielt tilgjengelig i dag, er syntetisk fremstilt.

Kjemiske egenskaper

Silisiumkarbid (ofte kalt karborundum) er en hard og slitesterk industriell keramikk som brukes i en rekke produksjonsprosesser. Det har spilt en uvurderlig rolle i å drive industrien og teknologien fremover gjennom mange år.

SiC-krystaller har en rekke ulike kjemiske egenskaper på grunn av sin særegne kovalente struktur, der silisium- og karbonatomer danner sterke koordinasjonstetraedre gjennom kovalente bindinger som deler elektronpar i sp3-hybridorbitaler. Disse tetraedrene kan deretter organiseres i ulike mønstre i et krystallgitter, noe som gir flere polytyper.

Sammensetningen av silisium- og karbonlagene i hver polytype bestemmer de elektroniske egenskapene. Derfor har de ulike polytypene forskjellige båndgapsenergier, som i a-SiC varierer fra 2,2 til 3,3 EV, avhengig av strukturen.

Silisiumkarbid i sin reneste form fungerer som en elektrisk isolator, men urenheter som aluminium og nitrogen kan tilsettes for å endre egenskapene til halvlederlignende egenskaper, noe som gjør at enheter som IGBT-er og MOSFET-er kan oppnå høye gjennomslagsspenninger med lav påslåingsmotstand.

Elektriske egenskaper

Silisiumkarbid har flere unike fysiske og kjemiske egenskaper som gjør det til et utmerket materiale for kraftelektronikk. Sammenlignet med silisium gjør det bredere båndgapet at elektroniske enheter kan fungere ved høyere temperaturer, spenninger og frekvenser enn tilsvarende silisium.

Keramikk med Mohs-grad 9 på Mohs-skalaen har overlegne egenskaper som varmeledningsevne og motstand mot kjemiske reaksjoner og korrosjon, og brukes i stor utstrekning til bilbremser, skuddsikre vester, elektroverktøy og mange andre bruksområder. Den har lav utvidelseskoeffisient, utmerket varmeledningsevne og motstand mot slitasje. Med høy varmeledningsevne og motstand mot kjemisk korrosjon gir det ideelle varmestyringsegenskaper og er et utmerket erstatningsmateriale i applikasjoner som involverer bilbremser, skuddsikre vester eller elektroverktøy.

Green og Black SiC produseres ved hjelp av silikasand blandet med karbon (vanligvis petroleumskoks) ved høye temperaturer i en Acheson-ovn. Green og Black SiC produseres som ingots med ulike renhetsgrader, for eksempel A-SiC med heksagonal krystallstruktur som ligner på wurtzitt, mens metallurgiske kvaliteter med lavere renhetsgrad har sinkblende-krystallstrukturer som ligner på diamant.

Mekaniske egenskaper

Moderne produksjon av silisiumkarbid til bruk i slipemidler, metallurgi og ildfaste materialer innebærer at man blander finmalt silikasand med karbon i koksform. Denne blandingen plasseres deretter i en ovn av elektrisk motstandstype som varmes opp med elektrisk strøm for å produsere silisiumkarbid av silisium og karbon; sintringsprosessen forbedres ved hjelp av ikke-oksydiske binere, og deretter kan det dannes rør av det ved ekstrudering eller kald isostatisk pressing.

Endimensjonale uordnede (ODD) SiC-strukturer har vist seg å ha betydelig innvirkning på mekaniske egenskaper, som for eksempel strekkfasthet og elastisk tøyning. Gjennom in situ-strekktester av enkle SiC NWs med ulike ODD-okkupasjonsforhold fant forskerne at styrken nærmer seg den ideelle teoretiske grensen når forholdet overstiger en kritisk verdi. Dette fenomenet skyldes sannsynligvis mikrotvillingsdannelse som muliggjør skjærlokalisering med mikroplastisitet som oppstår ved tvillinggrensene, og dermed skjærlokalisering og mikroplastisitet ved tvillinggrensene.