Egenskaper og bruksområder for silisiumkarbid

Silisiumkarbid, bedre kjent under forkortelsen SiC, er et av de hardeste syntetiske materialene på markedet i dag og brukes i stor utstrekning i skjæreverktøy på grunn av sin hardhet, samt i ildfaste materialer på grunn av sin motstandsdyktighet mot høy varme og termisk sjokk. Det har også funnet bred anvendelse som et korrosjonsbeskyttende beleggmateriale i elektronikk.

SiC er en ekstremt holdbar, sekskantet kjemisk forbindelse med halvlederegenskaper som kjennetegnes av et bredt båndgap. Dette gjør at SiC tåler sterkere elektriske felt samtidig som det fungerer ved høyere hastigheter.

Ledningsevne

Silisiumkarbid i ren form fungerer som en elektrisk isolator; ved å tilsette urenheter eller dopanter (dopanter brukes for å tilsette stoffer som endrer materialets elektriske ledningsevne), endres imidlertid egenskapene slik at det blir halvledende og til slutt halvledende igjen. Ved dotering med elementer som henholdsvis aluminium, bor, gallium eller nitrogen/fosfor (henholdsvis p-type eller n-type halvleder).

Krystallstrukturen til silisiumkarbid består av to primære koordinasjonstetraeder, som hver består av fire silisiumatomer og fire karbonatomer bundet sammen. Dette skaper sterke elektrostatiske vekselvirkninger som avstøter protoner, elektroner og nøytroner fra overflatene – noe som gjør materialet motstandsdyktig mot korrosjon fra mange kjemiske stoffer, for eksempel syrer.

Det faktum at det avviser ladningsbærere øker også materialets varmeledningsevne, noe som gjør det ekstremt varmebestandig og egnet for bruk ved høyere temperaturer. Fordi keramikk er så effektivt til å motstå ladningsbærere, kan det til og med brukes i skuddsikre vester, der kuler ikke klarer å trenge gjennom den harde, blokkformede keramiske strukturen.

SiC har et bredere båndgap enn vanlige halvledere av silisium, noe som betyr at det tåler høyere spenninger og frekvenser samtidig som det kan håndtere større effektbelastninger – en viktig egenskap for elektronikk som krever håndtering av mer effekt ved høyere spenninger og frekvenser, for eksempel i elektriske kjøretøy og kraftelektronikk-komponenter i romfartøy.

Holdbarhet

Silisiumkarbids holdbarhet, hardhet og korrosjonsbestandighet gjør det til et utmerket materiale for høyytelsesapplikasjoner innen maskinteknikk, som for eksempel pumper, lagre, ventiler, sandblåsingsdyser eller ekstruderingsmatriser. Videre gjør dets styrke, kjemiske inertitet og lave termiske utvidelse det egnet for ekstreme og høytemperaturapplikasjoner innen maskinteknikk.

Silisiumkarbid, bedre kjent som “karborundum”, fremstilles ved å kombinere silisium og karbon, noe som danner et sterkt keramisk materiale med sekskantede strukturer. Takket være sine halvlederegenskaper med bred båndgap kan silisiumkarbid tåle spenninger som er 10 ganger høyere enn det silisium kan.

SiC forekommer naturlig i moissanitt, som ble oppdaget for første gang i meteorittkrateret Canyon Diablo i Arizona i 1893. Oftest fremstilles dette materialet imidlertid syntetisk i edelsten- og slipekvalitet, vanligvis i elektriske motstandsovner som opererer ved temperaturer mellom 1700 og 2500 °C.

Elkem Processing Services (EPS), som ligger i Liège i Belgia, benytter reaktiv sintring for å produsere silisiumkarbid i henhold til de nøyaktige spesifikasjonene fra kunder over hele verden. Anlegget kan skilte med de nyeste teknologiske løsningene for å produsere store mengder SiC på kort tid – i tillegg til å utvikle spesialtilpassede blandinger som er skreddersydd for andre bruksområder.

Motstandsdyktighet mot korrosjon

Silisiumkarbid er et ekstremt hardt og slitesterkt materiale. Det beholder sin styrke ved høye temperaturer, noe som gjør det egnet for bruksområder som krever betydelig motstand mot termisk sjokk. I tillegg gjør dets korrosjonsbestandighet det egnet for de fleste syrer, baser og smeltede saltløsninger.

Den amerikanske oppfinneren Edward Acheson oppdaget silisiumkarbid i 1891 mens han lette etter måter å fremstille kunstige diamanter på. For å oppnå dette varmet han opp leire blandet med pulverisert koks ved hjelp av en vanlig karbonbue og en tennplugg, noe som resulterte i lysegrønne krystaller med en hardhet nær diamantens, som senere ble kjent som karborundum (SiC).

Moderne produksjonsmetoder som benyttes i slipemiddel-, metallurgisk- og ildfastindustrien, benytter seg av prosesser som ligner på de som ble utviklet av Acheson. Råmaterialer som ren kvartssand og finmalt karbon i form av koks plasseres rundt en karbonleder inne i en elektrisk motstandsovn av murstein med en elektrisk strøm som ledes gjennom den; dette forårsaker en kjemisk reaksjon mellom karbonet i koksen og silisiumet i sanden, noe som produserer SiC.

Silisiumkarbid har mange ønskelige egenskaper og blir ofte kombinert med andre metaller for å danne metallmatrisekompositter (MMC). MMC kombinerer styrken og holdbarheten til SiC med ledningsevnen fra andre metaller. Videre er MMC svært motstandsdyktige mot erosjonskorrosjon og skader forårsaket av oksidavskalling.

Styrke

Silisiumkarbid, ofte kalt “karborundum”, har en utrolig Mohs-hardhet på 9, noe som gjør det hardere enn diamant og bor-karbid. På grunn av sin styrke og holdbarhet er silisiumkarbid et utmerket materialvalg for anvendelser som spenner fra slipemidler til skuddsikre vester – det har overlegen slitestyrke og beholder samtidig hardheten selv ved svært høye temperaturer; faktisk regnes silisiumkarbid som en av de hardeste avanserte keramikkene.

Silisiumkarbid er et halvledermateriale, noe som betyr at elektrisk strøm eller elektromagnetiske felt kan endre dets ledningsevne, noe som gjør det nyttig i elektroniske enheter som forsterker, kobler eller konverterer signaler i en elektrisk krets. Halvledere av silisiumkarbid har større elektronmobilitet og lavere effekttap sammenlignet med tilsvarende silisiumbaserte halvledere – noe som gjør dem perfekte for høyhastighetstransistorer, dioder og FET-er.

Moderne produksjon av silisiumkarbid til bruk i slipemiddel-, metallurgisk- og ildfastindustrien ligner på Achesons prosess: En blanding av ren kvartssand og finmalt kokskull legges rundt en karbonleder i en elektrisk ovn; elektrisitet ledes gjennom denne lederen for å fremkalle en kjemisk reaksjon mellom silisium og karbon, noe som resulterer i dannelse av både silisiumkarbid og karbonmonoksidgass; til slutt males det kornformede silisiumkarbidet til ønsket størrelse og tetthet ved hjelp av spesialutstyr.