Carbură de siliciu Definiție

Carbura de siliciu (SiC) este un material ceramic anorganic utilizat pe scară largă în aplicațiile cu solicitări mecanice și termice, fiind al doilea în ceea ce privește duritatea, după carbura de bor și diamant.

Carborundumul a fost descoperit pentru prima dată de inventatorul american Edward G. Acheson în timp ce încerca să producă diamante artificiale în 1891 și de atunci a devenit o componentă indispensabilă în uneltele de tăiere și în garniturile refractare.

Duritate

Carbura de siliciu are proprietăți fizice impresionante, dar este frecvent înțeleasă și interpretată greșit. Duritatea este adesea confundată cu rezistența; în realitate, aceasta se referă mai degrabă la rezistența materialelor la deformare decât la rigiditate sau rigiditate.

Duritatea materialelor este determinată de microdurabilitatea sau modulul de forfecare la scară mică în toate direcțiile, nu de rigiditatea sau modulul Young, care depinde de diverși factori, inclusiv de geometrie și compoziția chimică; de exemplu, carbura de siliciu este mult mai dură decât diamantul, dar mai puțin rigidă decât osmiul sau tungstenul, de exemplu.

Materialele mai dure au tendința de a fi mai rezistente la deteriorări, dar mai puțin flexibile sau elastice decât cele mai moi - de aceea duritatea și duritatea sunt uneori utilizate în mod interschimbabil.

Carbura de siliciu are cea mai mare duritate dintre toți compușii cristalini, deși nu este la fel de dură ca diamantul. Produsă industrial pentru a fi utilizată ca abraziv și în alte aplicații metalurgice și refractare, precum și în producția de ceramică, carbura de siliciu poate fi găsită și ca alternativă la bijuteriile din moissanit sintetic pentru pietrele prețioase naturale.

Compozitele care conțin carbură de siliciu înregistrează o creștere a durității proporțională cu procentul de greutate al SiC, datorită faptului că sunt încorporate în matrice și sunt mai rezistente la deteriorare și la forțele de forfecare.

Conductivitate termică

Carbura de siliciu are o conductivitate termică ridicată, ceea ce înseamnă că transferă ușor căldura. Acest lucru se întâmplă prin vibrații moleculare și contactul dintre moleculele din material; gradienții de temperatură pe grosimea sa joacă un rol esențial în acest transfer, la fel ca și densitatea și structura cristalină a părților sale constitutive.

Conductivitatea termică este o caracteristică esențială pentru producerea de materiale ceramice avansate, cum ar fi cele utilizate în frânele și ambreiajele auto, permițând acestor materiale să funcționeze la temperaturi mai ridicate fără a-și pierde proprietățile mecanice. Ceramica este, de asemenea, utilizată pe scară largă ca material pentru veste antiglonț, deoarece rezistența sa poate rezista la niveluri extrem de ridicate de forță fără a se rupe.

Conductivitatea ridicată a SiC permite semiconductoarelor fabricate cu SiC să funcționeze la frecvențe și temperaturi mult mai ridicate decât tranzistorii și diodele pe bază de siliciu, reducând pierderile de putere și crescând în același timp fiabilitatea.

Compoziția chimică a carburii de siliciu o face, de asemenea, un material extrem de stabil care rezistă la coroziune, fiind una dintre cele mai durabile ceramici industriale și metalurgice disponibile în prezent. Se mândrește cu o rezistență excelentă la substanțe chimice precum acizii clorhidric, sulfuric și fluorhidric, precum și la bazele concentrate precum hidroxidul de sodiu. Mai mult, carbura de siliciu poate fi chiar topită la temperaturi ridicate pentru a forma legături puternice cu sticla sau cu alte materiale fragile precum ceramica.

Conductivitate electrică

Conductivitatea electrică a SiC îl face un material neprețuit în aplicațiile de putere, în special cele care implică cantități mari de curent. Datorită proprietăților sale electrice impresionante, SiC a apărut ca o alternativă viabilă la semiconductorii de siliciu pentru utilizări solicitante, cum ar fi electronica de alimentare a automobilelor electrice și instrumentele de pe sondele de pe Marte sau Venus (Mantooth, Zetterling & Rusu).

Conductivitatea electrică ridicată a SiC poate fi atribuită benzii sale interzise largi. Decalajul dintre benzile de valență și de conducție determină dacă un material este conductor sau izolator; în cazul unui decalaj larg, electronii se pot deplasa liber din banda de valență în banda de conducție, în timp ce traversarea acestui decalaj necesită cantități de energie prohibitiv de mari pentru un izolator.

Infiltrarea chimică a vaporilor (CVI) sau impregnarea cu polimeri și piroliza (PIP) a SiC de tip n în matricea sa crește conductivitatea electrică cu două până la trei ordine de mărime la temperaturi ridicate, datorită formării de cristale cu benzi interzise mai mici decât cele ale carburii de siliciu în stare pură. Această creștere poate fi atribuită formării de noi cristale de SiC cu o conductivitate electrică mai mare.

Materialul Si-SiC posedă o conductivitate electrică între 105 și 107 Ohm*cm datorită ratei sale scăzute de expansiune termică și conductivității electrice de 105-107 Ohm*cm pe cm pătrat, ceea ce îl face potrivit pentru aplicații care necesită curenți și temperaturi ridicate, rezistență la eroziune și protecție împotriva coroziunii. Cu astfel de proprietăți combinate, Si-SiC se evidențiază ca un candidat ideal.

Compoziție chimică

Carbura de siliciu este compusă din atomi de carbon și de siliciu dispuși în structuri cu patru fețe legate prin legături puternice care alcătuiesc structura sa cristalină. Aceste legături puternice conferă carburii de siliciu o suprafață extrem de dură și rezistentă, care este, de asemenea, rezistentă la substanțe chimice; durabilitatea sa o protejează, de asemenea, împotriva atacurilor acide, precum și a șocurilor termice de până la 1600degC. În plus, rezistența sa excelentă la deteriorarea prin impact o face potrivită pentru aplicații în care uzura fizică joacă un rol important, cum ar fi duzele de pulverizare, duzele de sablare sau componentele ciclonului.

Nanoparticulele ceramice sunt unul dintre cele mai ușoare, mai rezistente și mai dure materiale ceramice avansate disponibile. Se mândrește cu proprietăți electrice excelente, cu o conductivitate termică excelentă și un coeficient scăzut de dilatare termică; în plus, rezistă la temperaturi ridicate ca material semiconductor.

Carbura de siliciu se mândrește cu un semiconductor cu bandă interzisă largă, ceea ce îl face potrivit pentru electronica de putere. Rezistența sa la tensiune este de 10 ori mai mare decât cea a siliciului obișnuit și excelează față de nitrură de galiu în sistemele care funcționează la viteze sau temperaturi ridicate.

Producția de diamant sintetic este realizată în principal pentru a fi utilizat ca abraziv; cu toate acestea, alte aplicații ale diamantului sintetic pot include aplicații lapidare. Datorită durabilității sale îndelungate și rezistenței la abraziune, diamantul sintetic este utilizat frecvent de către lapidarii moderni ca ingredient datorită durabilității și rezistenței sale la deteriorarea prin uzură. Mai mult, diamantul sintetic poate fi găsit, de asemenea, utilizat ca abraziv în uneltele de șlefuit, piesele auto și materialele refractare - fiind, de asemenea, dur, durabil și util atunci când este combinat cu materiale precum oțelul și carbura de tungsten în aplicații de prelucrare combinate cu alte materiale dure și durabile precum oțelul și carbura de tungsten pentru rezultate îmbunătățite.