Ce este compoziția carbură de siliciu?

Carbura de siliciu (SiC) este un compus chimic extrem de dur și robust, alcătuit din siliciu și carbon, care prezintă proprietăți semiconductoare cu bandă largă pentru utilizarea în dispozitive electronice de înaltă temperatură și tensiune.

SiC se găsește în mod natural sub forma unui mineral cunoscut sub numele de moissanit și a fost produs pentru prima dată în masă ca abraziv în 1893. De atunci, a devenit o ceramică extrem de durabilă, utilizată în numeroase aplicații, de la frâne și ambreiaje auto până la veste antiglonț.

Caracteristici

Carbura de siliciu este un compus inert format din siliciu și carbon care are proprietatea chimică de a fi inert și dur. Atunci când este dopat cu azot, fosfor sau agenți dopanți de galiu pentru a forma semiconductori. Când este cristalizat, formează structuri compacte în care fiecare atom formează patru tetraedre de carbon/siliciu care formează legături covalente între ele, formând patru structuri cubice de tetraedre de siliciu/carbon legate covalent prin legături covalente.

SiC este un material extrem de dur și durabil, cu proprietăți electrice excelente care îl fac potrivit pentru componente care funcționează la temperaturi și frecvențe ridicate fără a compromite fiabilitatea, cum ar fi tranzistorii și diodele Schottky.

Edward Acheson a produs carbură de siliciu artificială pentru prima dată în 1891, din greșeală, atunci când a încălzit un amestec de carbon și siliciu într-un cuptor electric, producând cristale negre asemănătoare diamantelor. Ulterior, Henri Moissan a observat în mod natural în situl meteoritului Canyon Diablo din Arizona, iar acesta a numit această substanță moissanit.

La nivel industrial, carbura de siliciu poate fi creată fie prin procese de lipire prin reacție, fie prin sinterizare; ambele metode au influențe semnificative asupra microstructurii sale finale. SiC legat prin reacție poate fi creat prin infiltrarea compactelor compuse din carbură de siliciu și carbon cu siliciu lichid; acest lucru face ca mai mult SiC să se lege de particulele originale prin reacție chimică. Sinterizarea presupune presarea SiC sub formă de pulbere în lingouri până când se formează un strat nereacționat între două straturi reacționate; apoi, prin presare din nou, se creează straturile a-SiC și b-SiC cu straturi nereacționate între ele, rezultate din presarea lingourilor de SiC sub formă de pulbere; astfel se creează straturi a-SiC și b-SiC cu straturi nereacționate între ele, cu un strat nereacționat între ele, spre deosebire de SiC lipit prin reacție, cu straturi nereacționate între două metode de lipire de umplutură care produc lingouri de SiC formate prin presarea de lingouri de SiC sub formă de pulbere din SiC presat prin presarea de SiC sub formă de pulbere în lingouri create prin presarea de SiC sub formă de pulbere în lingouri în care s-au format straturi din ambele straturi (a-SiC și b-SiC cu straturi nereacționate între ele). Sinterizarea presupune presarea SiC pulverizat în lingouri în care s-au format straturi (a-SiC și un strat nereacționat format între ele).

Riscurile pentru sănătate și siguranță cauzate de praful și fibrele generate în timpul prelucrării sunt principalele preocupări în cazul materialelor dure, cum ar fi grafitul. Acestea pot irita ochii și pielea, pot provoca afecțiuni respiratorii, cum ar fi fibroza pulmonară, sau pot contribui la apariția unor tumori canceroase.

Proprietăți

Carbura de siliciu în forma sa pură se mândrește cu o rezistență chimică și termică excelentă, ceea ce o face potrivită pentru șlefuirea metalelor dure, cum ar fi cele întâlnite în operațiunile moderne de prelucrare a metalelor. Datorită suprafeței sale extrem de abrazive, carbura de siliciu servește, de asemenea, ca abraziv popular utilizat în lucrările moderne de lapidărie, deoarece este atât durabil, cât și relativ accesibil. Carbura de siliciu este utilizată, de asemenea, ca element de încălzire în cuptoarele industriale, precum și ca piesă rezistentă la uzură folosită la utilaje precum concasoarele și pompele, precum și ca substraturi semiconductoare pentru diode emițătoare de lumină (LED).

Carbura de siliciu poate fi transformată în diferiți polimorfi prin controlul temperaturii de reacție și al procesului de formare, carbura de siliciu alfa (a-SiC) având o structură cristalină hexagonală asemănătoare cu cea a Wurtzite. În același timp, carbura de siliciu beta (b-SiC) prezintă o structură cristalină de blenda de zinc asemănătoare cu cea a diamantului. În cele din urmă, carbura de siliciu tetraedrică (TiC), care are o rezistență ridicată la tensiune, dar este produsă doar în cantități mici, este considerată cea mai dificilă dintre toate.

SiC pur este un cristal opac de culoare galben-verde spre verde sau negru-albăstrui, cu o densitate medie de 3,21 g/cm3, care se topește la 2700 grade Celsius, are o solubilitate în apă insolubilă, dar se dizolvă în soluție cu substanțe alcaline precum NaOH sau KOH. Atunci când este topit cu siliciu formează sticlă de carbură, în timp ce atunci când este vaporizat în bobițe monocristaline poate fi format pentru a fi utilizat în dispozitive electronice.

Aplicații

Carbura de siliciu este un material excepțional de puternic, rezistent la coroziune și dur, cu o duritate Mohs de 9. Rezistența sa la zgârieturi îl face foarte greu de zgâriat sau de spart, ceea ce îl face perfect pentru aplicații de înaltă tensiune, cum ar fi frânele auto. Caracteristicile semiconductoare ale carburii de siliciu cu bandă largă reduc, de asemenea, necesarul de energie pentru trecerea electronilor în banda sa de conducție (de trei ori mai mică decât cea a siliciului). Acest lucru face ca carbura de siliciu să fie un candidat excelent pentru aplicațiile de înaltă tensiune.

Carbura de carbon poate fi obținută pe cale sintetică prin reacția carbonului cu nisip de siliciu într-un cuptor electric de grafit la temperaturi cuprinse între 1.600 și 2.500 grade Celsius, fiind creată pentru prima dată în mod artificial de Edward Acheson în 1891 în scopuri abrazive industriale. Munca sa l-a inspirat pe Henri Moisan din Franța să sintetizeze carbura de siliciu prin amestecarea cuarțului cu carbon, dând naștere moissanitului, care este acum utilizat în mod obișnuit ca bijuterie.

Carbura de siliciu, ca material refractar, are numeroase aplicații, de la fabricarea uneltelor de tăiere și a materialelor abrazive, a materialelor structurale (veste antiglonț și armuri compozite), a pieselor de automobile (discuri de frână) până la materiale rezistente la uzură pentru pompe și motoare de rachetă. Carbura de siliciu își găsește, de asemenea, utilizarea ca diode emițătoare de lumină și tranzistori datorită ratei sale scăzute de dilatare termică, rezistenței la reacții chimice și capacității de a rezista la temperaturi ridicate; rigiditatea, duritatea și conductivitatea termică ridicată fac din ea o alegere atractivă ca material pentru oglinzi pentru telescoapele astronomice, datorită condițiilor din spațiu, precum și a nivelurilor de radiații care ar putea distruge alte materiale optice.

Fabricarea

Procesele de fabricare a carburii de siliciu implică mai multe etape concepute pentru a produce un material de calitate superioară. Materiile prime trebuie mai întâi să fie supuse unor procese de purificare riguroase care elimină impuritățile; acest lucru le permite producătorilor să controleze mai bine compoziția produsului final.

După purificare, pulberile de siliciu și de carbon sunt combinate în proporții specifice pentru a crea compoziția SiC dorită. Acestea sunt apoi formate în diverse forme, cum ar fi așchii sau granule abrazive, folosind diverse tehnici, cum ar fi presarea, extrudarea și turnarea prin alunecare, înainte de a fi încălzite la temperaturi ridicate prin sinterizare pentru o consolidare ulterioară în produse mai solide, mai dense și mai durabile, cu proprietăți mecanice îmbunătățite.

Printre produsele din carbură de siliciu se numără vestele antiglonț din ceramică și frânele și ambreiajele auto fabricate din carbură de siliciu; cristalele mari de SiC pot fi cultivate chiar și pentru a produce pietre prețioase rare precum moissanitul.

SiC este un compus chimic anorganic, dar poate fi transformat pentru a se comporta mai mult ca un semiconductor prin adăugarea de impurități, cum ar fi azotul sau fosforul, care creează regiuni de tip n și, respectiv, de tip p. Acest lucru permite SiC să conducă electricitatea în funcție de schimbările de temperatură și intensitate - ceea ce îl face perfect pentru aplicațiile electronice de putere.