Kjemisk formel for silisiumkarbid

Silisiumkarbid (SiC) er en ekstremt hard og syntetisk fremstilt krystallinsk forbindelse av silisium og karbon, populært kalt karborundum.

Mohs' hardhetsgrad på 9 gjør at det kan sammenlignes med diamant, og det kan brukes som slipemiddel og i ildfaste produkter som for eksempel ovnsforinger.

Silisium er et annet materiale med stort potensial for høyeffektsapplikasjoner, og det finnes en rekke polytyper med ulike krystallstrukturer.

Kjemisk formel

Silisiumkarbid (SiC) er en syntetisk fremstilt og ekstremt hard krystallinsk forbindelse av silisium og karbon med den kjemiske formelen SiC. Først oppdaget naturlig av Henri Moissan i Devil's Canyon, Arizona, og senere syntetisert ved hjelp av elektrisk varme av den amerikanske oppfinneren Edward Acheson i 1891 ved hjelp av finmalte silisiumatomer som smeltet sammen med karbonatomer - denne prosessen brukes nå til å lage industrielle slipemidler som sandpapir og slipeskiver; i tillegg brukes ildfast foring i ovner; brukes i stor utstrekning av halvlederelektronikk som krever høye temperaturer eller spenninger; finnes naturlig som moissanitt.

Silisiumkarbid har en endoterm standard entalpiendring per mol på 1124,9 kJ/mol, en ekstremt positiv verdi som tyder på en eksoterm reaksjon. Silisiumkarbid kan produseres ved hjelp av ulike prosesser. En vanlig måte er å blande ren silikasand (SiO2) med koks i en elektrisk lysbueovn ved høye temperaturer for å danne blokker av silisiumkarbid som knuses ytterligere og raffineres ved hjelp av knusing, syre-base-vask, magnetisk separasjon, sikting eller vannseparasjon.

Rent silisiumkarbid har en fargeløs tetthet på 3,21 g/cm3 og sublimerer ved 2700 grader C. Det er uløselig i vann. I praksis dannes det imidlertid gulgrønne til blåsorte, iriserende krystaller på grunn av urenheter i den industrielle produksjonen av silisiumkarbid (for eksempel jern og andre sporstoffer). Silisiumkarbid fungerer som en elektrisk isolator i sin reneste form, men ved doping med nitrogen eller fosfor kan det gjøres til n-type, mens beryllium eller aluminium kan gjøre det til p-type og gi halvlederegenskaper i halvlederapplikasjoner.

Det finnes mer enn 250 krystallinske strukturer av silisiumkarbid, som defineres ut fra hvordan silisium- og karbonatomene er stablet. Disse polytypene av silisiumkarbid varierer i sprøhet, hardhet, motstand mot kjemiske reaksjoner og duktilitet - fra diamantlignende rombisk stellat (kjent som 3/SiC), som er ekstremt hardt og sprøtt, til den mer duktile glassaktige, amorfe formen kjent som 2/SiC.

Fysiske egenskaper

Silisiumkarbid (SiC) er et krystallinsk industrimineral som har både keramiske egenskaper og halvlederegenskaper. SiC er kjent for sin kombinasjon av hardhet og styrke, og materialets andre fysiske egenskaper gjør det egnet til mange bruksområder med høy temperatur og slipende egenskaper, inkludert slipemedier til metallsliping, ildfaste ovner, skjæreverktøy, sandpapir, jetmotordeler og substrater til LED-lyspærer. SiC brukes ofte i disse rollene.

SiC er en uorganisk forbindelse som består av silisium og karbon med en Mohs-klassifisering på 9. Det danner grå til brune faste stoffer som tilhører karbidgruppen av mineraler; naturlige former inkluderer moissanitt. Ren SiC danner fargeløse krystaller, mens urenheter som nitrogen eller aluminium gir grønne eller blå fargetoner i krystallformen.

På grunn av sin ekstreme hardhet, kjemiske inertitet og lave varmeutvidelseskoeffisient er polykarbonatplast svært motstandsdyktig mot korrosjon. Med temperaturer på opptil 1400 grader C uten tap av mekanisk styrke - noe som gjør det til et utmerket materialvalg for komponenter som må operere i tøffe miljøer, for eksempel varmevekslere og flammetennere.

Silisiumkarbid kan produseres gjennom flere prosesser som gir et bredt spekter av interne og eksterne mikrostrukturer, typisk variasjoner i støkiometri. De vanligste strukturene er heksagonal tetraedrisk (a-SiC) og kubisk (b-SiC), selv om polytyper avledet fra disse også kan kombineres for å oppnå ulike fysiske og elektriske egenskaper.

Silisiumkarbidets kjemiske binding mellom Si og C danner sterke kovalente tetraedriske bindinger som skaper sterke kovalente bindinger mellom hvert tetraeder, og som knytter dem sammen og stabler dem i polare strukturer som gir dette materialet dets elektriske egenskaper. Silisiumkarbid fungerer i seg selv som en utmerket isolator, men med forsiktig doping eller tilførsel av urenheter eller dopingstoffer kan det få halvlederegenskaper; det verken tillater fri strømgjennomgang eller frastøter den fullstendig, slik som aluminiumoksid eller borkarbid, og skaper dermed en mellomting mellom disse to, noe som har gjort silisiumkarbid til en uvurderlig ressurs når det brukes til romforskning og til utvinning av olje og gass på store havdyp. Dette materialet har vist seg å være velegnet til en rekke utfordrende romforskningsprosjekter og til olje- og gassutvinning på store havdyp rundt om i verden.

Mekaniske egenskaper

Silisiumkarbid, et ikke-oksydholdig keramisk materiale, er et av de hardeste, sterkeste og mest avanserte materialene som brukes i produkter som slipemidler, ildfaste materialer, keramikk og annet. På grunn av det brede båndgapet brukes det også i elektroniske komponenter.

Edward Acheson skrev historie da han i 1891 syntetiserte diamantpulver til industrielle slipemidler ved å oppdage små, svarte krystaller i en elektrisk oppvarmet smelte av karbon og aluminiumoksid. Acheson malte disse krystallene til pulver for bruk som industrielle slipemidler. Achesons oppdagelse ble bekreftet av nobelprisvinneren i kjemi, Henri Moissan, da han i 1905 oppdaget gjennomsiktige former av dette mineralet, kjent som moissanitt, i en Canyon Diablo-meteoritt i Arizona.

Silisiumkarbid lages i dag ved å varme opp aluminiumoksid og silisiumdioksyd sammen ved høye temperaturer under kontrollerte forhold, og deretter formes det til blokker eller pellets for bruk i ulike industrielle applikasjoner. Silisiumkarbid har en ultrahard overflate som gjør det anvendelig til sliping, skjæring, boring og fresing, mens den termiske ledningsevnen gir god varmeledningsevne og den kjemiske motstandsdyktigheten gir eksepsjonell kjemikalieresistens.

Silisiumkarbid har egenskaper som har gjort det ideelt til bruk i store astronomiske teleskoper og delsystemer i romfartøyer, inkludert speil. På grunn av sin stivhet og lave varmeutvidelseskoeffisient er det et utmerket grunnmateriale, ettersom det ikke utvider seg eller trekker seg sammen når temperaturen svinger.

Den utmerkede slitasje- og slagfastheten gjør keramikk til et utmerket materiale for sliteformål som slipeskiver og blåsemunnstykker, mens styrken gjør det også egnet for ildfaste og keramiske komponenter som ovnsforinger og slitesterke belegg.

Silisiumkarbid har et bredt båndgap som gjør at det kan lede strøm mer effektivt enn andre halvledere, ettersom elektronene trenger mindre energi for å gå fra valensbåndet til ledningsbåndet. Denne effektivitetsøkningen bidrar dessuten til at det bedre kan håndtere høyere spenninger og frekvenser enn konkurrerende materialer, siden det større energigapet gjør at flere elektroner kan bevege seg samtidig.

Elektriske egenskaper

Silisiumkarbid har unike elektriske egenskaper som gjør at det kan brukes i en rekke høyytelseskretser. I ren tilstand fungerer silisiumkarbid som en elektrisk isolator, men ved å tilsette små mengder urenheter - spesielt aluminiumdoping - kan det få halvlederegenskaper. Dopingen av aluminium skaper et halvledermateriale av p-typen.

Halvledere med bredt båndgap er spesielt fordelaktige i applikasjoner som krever høy spenning, for eksempel kraftelektronikk og andre kraftapplikasjoner. Disse halvlederne tåler ti ganger større elektrisk feltstyrke enn vanlige silisiumhalvledere, noe som gjør dem egnet for enheter som utsettes for ekstreme spenningsnivåer.

SiC skiller seg ut som et attraktivt materiale på grunn av sin overlegne motstand mot strømgjennomgang sammenlignet med silisium ved tilsvarende spenning, noe som reduserer energitapet til varme i enhetene betydelig og eliminerer behovet for kostbare aktive kjølesystemer som øker vekten, kompleksiteten og kostnadene til et produkt.

Silisiumkarbid har lav termisk ekspansjon, noe som gjør det til et ettertraktet speilmateriale for store astronomiske teleskoper, der det kan dyrkes til skiver på opptil 3,5 m (11 fot). På grunn av sin holdbarhet, stivhet og utmerkede varmeledningsevne er det dessuten et utmerket grunnmateriale for elektroniske komponenter i miljøer der vibrasjoner kan forårsake skade.

Silisium er fortsatt det mest brukte halvledermaterialet i moderne elektronikk, men det begynner å vise sine begrensninger når det gjelder høyeffektsapplikasjoner. Silisiumkarbid har flere fordeler som avhjelper disse manglene, blant annet det brede båndgapet - definert som energien som kreves for å frigjøre et elektron fra bane rundt en atomkjerne, målt i elektronvolt eller eV. Silisiumkarbid har en elektronvoltverdi som er nesten tre ganger så høy som for standard silisium.

Silisiumkarbid forekommer naturlig som det ekstremt sjeldne mineralet moissanitt, som vanligvis finnes i ørsmå mengder i meteoritter, korundforekomster og kimberlitt. Siden 1893 har det blitt kommersielt fremstilt i pulverform for bruk som slipemiddel, ofte kombinert med andre korn for å skape svært harde keramiske forbindelser som er bundet sammen med hvert enkelt korn for å danne slitesterke og holdbare forbindelser som bremser og koblinger til biler, samt keramiske plater som brukes på skuddsikre vester og lysdioder som detektorer i tidlige radioapparater.