Do czego służy węglik krzemu?

Węglik krzemu to niesamowita ceramika o wielu przydatnych właściwościach, w tym wytrzymałości, twardości, trwałości, odporności na korozję i przewodności elektrycznej.

Edward Acheson po raz pierwszy sztucznie zsyntetyzował SiC w 1891 roku. Chociaż jego mineralny odpowiednik, moissanit, występuje naturalnie, większość produkowanego obecnie SiC jest wytwarzana syntetycznie pod nazwą Carborundum.

Wysokotemperaturowe materiały ogniotrwałe

Węglik krzemu (SiC) jest niezwykle użytecznym nietlenkowym materiałem ceramicznym o wielu zastosowaniach. Jest on często stosowany w materiałach ściernych ze względu na swoją twardość i odporność na ciepło; podobnie jest stosowany w materiałach ogniotrwałych i ceramice ze względu na niskie współczynniki rozszerzalności cieplnej i odporność na szok termiczny. Co więcej, SiC można również sklasyfikować jako półprzewodnik, posiadający charakterystykę przewodnictwa elektrycznego pośrednią między tymi występującymi w metalach i izolatorach.

SiC jest jedną z najtwardszych substancji syntetycznych, jakie kiedykolwiek znano, z oceną w skali Mohsa zbliżoną do diamentu. Używany głównie jako materiał ścierny w procesach obróbki, takich jak piaskowanie, szlifowanie i cięcie strumieniem wody, jest również stosowany w druku karborundowym, który polega na nakładaniu pasty na aluminiową płytkę, a następnie ręcznym nanoszeniu atramentu za pomocą pióra atramentowego w celu uzyskania drukowanych znaków na papierze.

SiC jest w stanie wytrzymać ekstremalnie wysokie temperatury, dzięki czemu nadaje się do stosowania w reaktorach jądrowych w celu ochrony ścian przed uszkodzeniem przez promieniowanie, a także w piecach do produkcji stali oraz w procesach produkcji ceramiki i materiałów ogniotrwałych.

Nowoczesne metody produkcji SiC do zastosowań w materiałach ściernych, metalurgicznych i ogniotrwałych obejmują tworzenie mieszaniny czystego piasku krzemionkowego z węglem w koksie w elektrycznym piecu oporowym typu ceglanego i przepuszczanie prądu elektrycznego przez jego przewodnik w celu wywołania reakcji chemicznych, które tworzą dwa rodzaje węglika krzemu - alfa SiC ma sześciokątną strukturę krystaliczną podobną do wurtzytu, podczas gdy beta SiC ma strukturę krystaliczną blendy cynkowej podobną do diamentu.

Wysokowydajna inżynieria

SiC (węglik krzemu) to syntetycznie wytwarzany związek krystaliczny składający się z krzemu i węgla, który jest szeroko stosowany jako materiał ścierny w narzędziach szlifierskich, narzędziach tnących, papierze ściernym i ściernicach. Ponadto SiC służy jako integralny składnik wykładzin pieców przemysłowych, a także części odpornych na zużycie w pompach i silnikach rakietowych ze względu na doskonałą odporność na ścieranie, chemikalia, wysokie temperatury i korozję.

Moissanit został początkowo odkryty naturalnie jako rzadki minerał moissanit w 1891 roku i od tego czasu jest sztucznie syntetyzowany i masowo produkowany jako materiał ścierny. Spiekanie może również wytwarzać bardzo twarde materiały ceramiczne stosowane w tarczach hamulcowych i sprzęgłach samochodowych, a także kamizelki kuloodporne wykonane z płyt ceramicznych wykonanych z moissanitu. Co więcej, materiał ten stanowi integralny składnik zaawansowanych urządzeń zasilających, które obecnie rewolucjonizują dzisiejszy sektor energoelektroniki.

Węglik krzemu jest dostępny w różnych gatunkach, w zależności od specyficznych właściwości danego zastosowania. Popularne opcje obejmują zielony węglik krzemu (GSiC), czarny węglik krzemu (BSC) i węglik wolframu (WC), ale najczęściej sprzedawanym gatunkiem jest czerwono-brązowy węglik krzemu (RBSC), który jest wytwarzany przez zmieszanie czystego proszku węglika krzemu z nietlenkowymi substancjami pomocniczymi do spiekania w celu uformowania pożądanych kształtów przed wypaleniem w chemicznie obojętnych mediach w celu wypalenia w wyższych temperaturach bez utraty wytrzymałości lub integralności. Materiał RBSC oferuje zwiększoną wytrzymałość mechaniczną w porównaniu do GSiC, a jednocześnie jest zdolny do pracy w wyższych temperaturach bez utraty wytrzymałości lub integralności w porównaniu do swojego odpowiednika GSiC, umożliwiając pracę w wysokich temperaturach bez utraty wytrzymałości lub integralności.

Urządzenia półprzewodnikowe

Węglik krzemu (SiC) jest jednym z najtwardszych materiałów na świecie - pod względem twardości ustępuje tylko diamentowi i sześciennemu azotkowi boru - co czyni go doskonałym wyborem do zastosowań wymagających ceramiki o wysokiej wydajności.

Właściwości elektryczne nanodrutów krzemowych są również imponujące, z napięciem przebicia i natężeniem prądu przekraczającym wiele konwencjonalnych urządzeń półprzewodnikowych. Sprawia to, że nadają się one do wysokowydajnych zastosowań, takich jak urządzenia zasilające i emitery światła.

Od 1893 roku węglik krzemu (SiC) jest produkowany masowo jako materiał ścierny występujący naturalnie w moissanicie. Wkrótce potem rozpoczęto komercyjną produkcję materiału ściernego do obróbki metali żelaznych, ceramiki i innych trudnych w obróbce materiałów, takich jak hamulce i sprzęgła samochodowe oraz płyty kamizelek kuloodpornych.

Domieszkowanie pozwala kryształom węglika krzemu (SiC) przejść od izolacji elektrycznej do przewodnictwa poprzez zmieszanie drobnych zanieczyszczeń z ich materiałem bazowym - zwykle przy użyciu atomów donorowych, takich jak fosfor lub arsen, z pięcioma dostępnymi elektronami do podziału między wszystkie atomy krzemu w strukturze sieci krystalicznej. Po domieszkowaniu, kryształy SiC typu N można następnie pociąć na płytki i wyprodukować półprzewodnikowe urządzenia elektroniczne.

Przetwarzanie chemiczne

Węglik krzemu (SiC), jeden z najtwardszych materiałów na Ziemi, może pochwalić się twardością 9 w skali Mohsa, a pod względem twardości ustępuje jedynie węglikowi boru i diamentowi. SiC jest powszechnie stosowany w materiałach ściernych i częściach odpornych na zużycie ze względu na swoją twardość, a także w materiałach ogniotrwałych i ceramice ze względu na odporność na wysokie temperatury i rozszerzalność cieplną, podczas gdy półprzewodnikowe urządzenia elektroniczne wymagające wysokich temperatur roboczych lub napięcia mogą wykorzystywać jego unikalne właściwości.

Węglik krzemu występuje naturalnie jako minerał moissanit; jednak od 1893 r. jest on masowo produkowany w postaci proszku do stosowania jako materiał ścierny. Co więcej, węglik krzemu może być również łączony w niezwykle twardą ceramikę wykorzystywaną w zastosowaniach o rygorystycznych wymaganiach, takich jak hamulce i sprzęgła samochodowe oraz płyty kamizelek kuloodpornych. Co więcej, materiał ten może być również wykorzystywany do produkcji elementów elektronicznych pracujących w wysokich temperaturach lub pod wysokim napięciem, takich jak diody elektroluminescencyjne i detektory.

Z chemicznego punktu widzenia, węglik krzemu (SiC) jest stopem składającym się z czystego krzemu i węgla, który może być domieszkowany azotem, fosforem lub berylem w celu stworzenia półprzewodników typu n lub p przy użyciu chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). Wafle SiC używane do produkcji półprzewodników wykorzystują chemiczne osadzanie z fazy gazowej jako proces ich wytwarzania - dzięki czemu CVD jest nieocenionym sposobem tworzenia wafli dla tej zaawansowanej technologii produkcji. Ponadto wysoka jakość wykończenia powierzchni, niski współczynnik tarcia i wysoka temperatura topnienia sprawiają, że SiC jest niezbędnym materiałem stosowanym w laserowych powłokach ogniotrwałych, a także w powłokach optycznych, dzięki precyzji CVD podczas wytwarzania wafli przy użyciu technologii chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD).