Structura carbură de siliciu

Carbura de siliciu (SiC) este un material sintetic ultradur sintetizat pentru prima dată în 1891 de Edward Acheson într-un cuptor încălzit cu carbon și alumină. De la lansarea sa în industrie ca abraziv industrial în anii 1920, SiC a devenit rapid unul dintre cele mai căutate materiale pe scară largă.

SiC este disponibil în diferite structuri cristaline cunoscute sub numele de polipare; pentru aplicațiile de mare putere, poliparetul cu structură atomică hexagonală 4H-SiC este cel mai bun.

Proprietăți fizice

Carbura de siliciu este o ceramică fină cu diverse proprietăți fizice care o fac unul dintre cele mai versatile materiale refractare de pe piață. De la rezistența, duritatea, rezistența la coroziune și punctul de topire ridicat până la versatilitatea sa în aplicații tehnice extreme - cum ar fi rulmenții de pompe, supapele, injectoarele de sablare și matrițele de extrudare - carbura de siliciu s-a dovedit a fi un element vital pentru dispozitivele electronice moderne. În plus față de aceste caracteristici mecanice impresionante, carbura de siliciu oferă capacități semnificative de semiconductor ca ingredient indispensabil.

Carbura de siliciu pură este o substanță cristalină incoloră, cu o densitate de 3,21g/mL și un punct de topire care depășește 2700degC. Adesea produsă prin procesul Acheson, în care nisipul de silice și cocsul sunt combinate și încălzite la temperaturi ridicate într-un cuptor electric până când nisipul de silice se carbonizează pentru a forma structuri cristaline grosiere, cum ar fi a-SiC, în timp ce pentru lingourile de b-SiC se formează structuri cubice de diamant.

Alpha-SiC este cel mai frecvent întâlnit polimorf al carburii de siliciu, având o structură cristalină hexagonală similară cu cea a Wurtzite. Formele Beta-SiC cu structură cristalină cubică diamantată sunt cel mai des întâlnite în meteoriți; în plus, această formă este frecvent utilizată în producția industrială prin procese de topire și turnare pentru a realiza diverse produse.

Proprietăți chimice

Carbura de siliciu este o ceramică dură, fără oxid, cu proprietăți fizice și chimice remarcabile: duritate și rigiditate ridicate, rate scăzute de dilatare termică și rezistență excepțională la coroziune. În plus, banda sa largă de separare îl face potrivit pentru aplicații electronice de mare putere.

Apa, alcoolul și majoritatea acizilor, cu excepția acidului fluorhidric și a fluorurilor acide, nu o dizolvă, asigurând o stabilitate chimică superioară față de majoritatea celorlalte ceramici refractare.

Carbura de siliciu a fost sintetizată pentru prima dată în mod artificial de Edward Acheson în 1891, ca produs secundar accidental al topiturii sale de carbon și alumină încălzite electric, și a devenit una dintre cele mai importante ceramici industriale din lume, utilizată atât ca material abraziv pentru aliajele de oțel, cât și ca ceramică structurală.

Carbura de siliciu posedă un aranjament tetraedric strâns compactat, legat covalent între ele. O varietate de secvențe de stivuire dau naștere la diversele sale polipotipuri - fiecare dintre acestea se distinge prin proprietăți fizice și chimice distincte.

Forma alfa (a-SiC) prezintă o structură cristalină hexagonală similară cu cea a Wurtzite, în timp ce versiunea beta (b-SiC) prezintă o structură cristalină de blenda de zinc similară cu cea a diamantului. Ambele varietăți de SiC pot fi prelucrate cu ușurință, cu doar restricții limitate de duritate, și pot fi șlefuite în diverse forme pentru a fi utilizate ca produse abrazive sau oglinzi în telescoape, acestea fiind aplicații populare pentru aceste materiale.

Proprietăți electrice

Carbura de siliciu este un material semiconductor, ceea ce înseamnă că prezintă unele caracteristici întâlnite atât la metale (care conduc electricitatea), cât și la nemetale, cum ar fi izolatorii (care se opun fluxului de electricitate). Natura exactă a proprietăților sale electrice depinde de temperatură și de orice impurități prezente în structura sa cristalină - la temperaturi mai scăzute acționează mai mult ca un izolator care rezistă la fluxul de electricitate, în timp ce la temperaturi mai ridicate devine mai mult ca un conductor și permite electricitatea să treacă prin el.

Structura cristalină a SiC constă în straturi compuse din atomi de siliciu și de carbon legați în configurații tetraedrice. Aceste straturi strâns compactate formează o structură strânsă, care dă naștere la diferite structuri cristaline numite polipotipuri; fiecare polipot are aceeași compoziție chimică, dar structuri cristaline diferite care îi afectează proprietățile electrice. Fiecare secvență de stivuire a straturilor din fiecare politext poate produce structuri cristaline cubice, hexagonale sau romboedrice.

SiC este un material atractiv pentru dispozitivele de putere de înaltă tensiune datorită structurii sale cristaline tetraedrice și a benzii electronice largi, ceea ce îl face deosebit de potrivit pentru diode și tranzistoare. Banda de separare electronică mai largă a SiC îi permite să reziste la câmpuri electrice de rupere mai mari decât siliciul, având în același timp pierderi de comutare reduse care contribuie la îmbunătățirea eficienței energetice. În plus, conductivitatea carburii de siliciu poroase poate fi modificată prin doparea cu impurități pentru a obține atât o conductivitate mai mare, cât și o capacitate de tensiune mai mare pentru a fi utilizată în convertoare de putere eficiente pentru convertoarele de putere ale vehiculelor electrice.

Proprietăți mecanice

Carbura de siliciu este un material extrem de dur, inert din punct de vedere chimic, care se găsește în mod natural sub formă de diamante negre, cu o duritate Mohs de 9. Are multe proprietăți avantajoase, inclusiv stabilitatea la temperatură, ratele scăzute de expansiune termică și rezistența la atacuri chimice, ceea ce îl face perfect ca material semiconductor.

Oxidul de litiu este un izolator electric excepțional, cu un factor de rezistență la tensiune de zece ori mai mare decât cel al siliciului, ceea ce îl face o opțiune din ce în ce mai atractivă ca material de înlocuire a siliciului pentru electronica de putere și alte aplicații de mare putere.

SiC este fabricat cu ajutorul diferitelor structuri cristaline polimorfe, fiecare având un aranjament specific de atomi. Cele trei poliprotipuri comune de SiC produse sunt 3C-SiC, 4H-SiC și 6H-SiC; acestea diferă prin secvența de stivuire a straturilor, ceea ce duce la proprietăți fizice și mecanice distincte.

Cercetări recente efectuate pe nanofire de SiC cu diferite rapoarte de ocupare structurală ODD au fost testate in-situ la tracțiune prin SEM pentru a evalua rezistența și elasticitatea acestora, modulul de forfecare, calculele raportului Poisson pentru fiecare fază, analiza anizotropiei mecanice au arătat că Pm-SiC are un comportament mai puternic la forfecare în comparație cu b-SiC și, respectiv, Pnnm-SiC NWs; în plus, rezistența a crescut odată cu creșterea raportului de ocupare ODD până la atingerea valorii de 32,6%, unde rezistența a început să scadă exponențial după aceea.