Definícia karbidu kremíka

Karbid kremíka (SiC) je anorganický keramický materiál, ktorý sa široko používa v mechanicky a tepelne náročných aplikáciách a ktorý je z hľadiska tvrdosti na druhom mieste po karbide bóru a diamante.

Karborundum prvýkrát objavil americký vynálezca Edward G. Acheson pri pokuse o výrobu umelých diamantov v roku 1891 a odvtedy sa stalo nenahraditeľnou súčasťou rezných nástrojov a žiaruvzdorných obložení.

Tvrdosť

Karbid kremíka má pôsobivé fyzikálne vlastnosti, ale často sa nesprávne chápe a interpretuje. Tvrdosť sa často zamieňa s pevnosťou; v skutočnosti sa vzťahuje skôr na odolnosť materiálov voči deformácii než na tuhosť alebo pevnosť.

Tvrdosť materiálov sa určuje ich mikrotvrdosťou alebo modulom pružnosti v malom šmyku vo všetkých smeroch, nie ich tuhosťou alebo Youngovým modulom, ktorý závisí od rôznych faktorov vrátane geometrie a chemického zloženia; napríklad karbid kremíka je oveľa tvrdší ako diamant, ale menej tuhý ako napríklad osmium alebo volfrám.

Tvrdšie materiály bývajú odolnejšie voči poškodeniu, ale menej pružné alebo elastické ako ich mäkšie náprotivky - preto sa niekedy tvrdosť a tvrdosť používajú zameniteľne.

Karbid kremíka sa môže pochváliť najvyššou tvrdosťou spomedzi všetkých kryštalických zlúčenín, hoci nie je taký tvrdý ako diamant. Karbid kremíka sa vyrába priemyselne na použitie ako abrazívum a v iných metalurgických a žiaruvzdorných aplikáciách, ako aj pri výrobe keramiky.

U kompozitov obsahujúcich karbid kremíka sa zvyšuje tvrdosť úmerne ich hmotnostnému podielu SiC, pretože sú zabudované v matrici a sú odolnejšie voči poškodeniu a šmykovým silám.

Tepelná vodivosť

Karbid kremíka má vysokú tepelnú vodivosť, čo znamená, že ľahko prenáša teplo. Deje sa to prostredníctvom molekulárnych vibrácií a kontaktu medzi molekulami v materiáli; pri tomto prenose zohrávajú podstatnú úlohu teplotné gradienty v celej jeho hrúbke, ako aj hustota a kryštálová štruktúra jeho jednotlivých častí.

Tepelná vodivosť je základnou vlastnosťou pri výrobe modernej keramiky, ktorá sa používa napríklad v automobilových brzdách a spojkách a umožňuje týmto materiálom pracovať pri vyšších teplotách bez straty mechanických vlastností. Keramika sa tiež široko používa ako materiál nepriestrelných viest, pretože jej pevnosť dokáže odolať extrémne veľkej sile bez toho, aby sa zlomila.

Vysoká vodivosť SiC umožňuje polovodičom vyrobeným z SiC pracovať pri oveľa vyšších frekvenciách a teplotách ako tranzistory a diódy na báze kremíka, čo znižuje straty energie a zároveň zvyšuje spoľahlivosť.

Chemické zloženie karbidu kremíka z neho tiež robí vysoko stabilný materiál, ktorý odoláva korózii, čo z neho robí jednu z najodolnejších priemyselných a metalurgických keramík, ktoré sú dnes k dispozícii. Môže sa pochváliť vynikajúcou odolnosťou voči chemikáliám, ako sú kyseliny chlorovodíková, sírová a fluorovodíková, ako aj voči koncentrovaným zásadám, napríklad hydroxidu sodnému. Okrem toho sa karbid kremíka môže dokonca taviť pri vysokých teplotách a vytvárať pevné väzby so sklom alebo inými krehkými materiálmi, ako je keramika.

Elektrická vodivosť

Elektrická vodivosť SiC z neho robí neoceniteľný materiál v energetických aplikáciách, najmä v tých, ktoré zahŕňajú veľké množstvo prúdu. Vďaka svojim pôsobivým elektrickým vlastnostiam sa SiC stal životaschopnou alternatívou kremíkových polovodičov pre náročné použitie, ako je výkonová elektronika elektrických automobilov a prístrojové vybavenie sond na Marse alebo Venuši (Mantooth, Zetterling a Rusu).

Vysokú elektrickú vodivosť SiC možno pripísať jeho širokému pásmovému rozhraniu. Medzera medzi valenčným a vodivostným pásmom určuje, či je materiál vodič alebo izolant; pri expanzívnej medzere môžu elektróny voľne prechádzať z valenčného pásma do vodivostného pásma, zatiaľ čo pre izolant je na prekročenie tejto medzery potrebné neúnosne veľké množstvo energie.

Chemická infiltrácia pár (CVI) alebo polymerizovaná impregnácia - pyrolýza (PIP) n-typu SiC do matrice zvyšuje elektrickú vodivosť o dva až tri rády pri zvýšených teplotách v dôsledku tvorby kryštálov s nižšími pásmovými medzerami ako v prípade čistého karbidu kremíka. Toto zvýšenie možno pripísať tvorbe nových kryštálov SiC s väčšou elektrickou vodivosťou.

Materiál Si-SiC má elektrickú vodivosť 105 až 107 Ohm*cm vďaka nízkej tepelnej rozťažnosti a elektrickej vodivosti 105 až 107 Ohm*cm na cm štvorcový, vďaka čomu je vhodný na aplikácie vyžadujúce vysoké prúdy, teploty, odolnosť proti erózii a ochranu proti korózii. Vďaka kombinácii týchto vlastností vystupuje Si-SiC ako ideálny kandidát.

Chemické zloženie

Karbid kremíka sa skladá z atómov uhlíka a kremíka usporiadaných do štvorstranných štruktúr spojených pevnými väzbami, ktoré tvoria jeho kryštálovú štruktúru. Vďaka týmto silným väzbám má karbid kremíka mimoriadne tvrdý a húževnatý povrch, ktorý je odolný aj voči chemikáliám; jeho odolnosť ho chráni aj pred pôsobením kyselín, ako aj pred tepelným šokom pri teplote až 1600 °C. Okrem toho je vďaka svojej vynikajúcej odolnosti voči poškodeniu nárazom vhodný na aplikácie, kde hrá úlohu fyzické opotrebovanie, ako sú napríklad striekacie dýzy, tryskacie dýzy alebo súčasti cyklónov.

Keramické nanočastice sú jedným z najľahších, najpevnejších a najtvrdších keramických materiálov. Môže sa pochváliť vynikajúcimi elektrickými vlastnosťami s vynikajúcou tepelnou vodivosťou a nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti; okrem toho odoláva vysokým teplotám ako polovodičový materiál.

Karbid kremíka sa môže pochváliť širokou pásmovou medzerou medzi polovodičmi, vďaka čomu je vhodný pre výkonovú elektroniku. Jeho napäťová odolnosť je 10-krát vyššia ako u bežného kremíka a v systémoch pracujúcich pri vysokých rýchlostiach alebo teplotách vyniká nad nitridom gália.

Syntetický diamant sa vyrába predovšetkým na použitie ako abrazívum, avšak medzi ďalšie aplikácie syntetického diamantu môžu patriť lapidárne aplikácie. Vzhľadom na jeho dlhú životnosť a odolnosť voči abrázii je syntetický diamant často využívaný modernými lapidármi ako prísada vďaka jeho trvanlivosti a odolnosti voči poškodeniu spôsobenému opotrebovaním a oderu. Okrem toho možno syntetický diamant nájsť aj ako abrazívum v brúsnych nástrojoch, automobilových súčiastkach a žiaruvzdorných materiáloch - rovnako ako je tvrdý, odolný a užitočný v kombinácii s materiálmi, ako je oceľ a karbid volfrámu, pri obrábacích aplikáciách v kombinácii s inými tvrdými a odolnými materiálmi, ako je oceľ a karbid volfrámu, na dosiahnutie lepších výsledkov.

sk_SKSlovak