Struktura in uporaba silicijevega karbida

Silicijev karbid je zaradi svoje izjemne temperaturne stabilnosti, trajnosti, trdnosti, odpornosti proti koroziji in polprevodniških lastnosti idealen material za močnostno elektroniko. Poleg tega bi dopiranje s fosforjem ali galijem lahko omogočilo dopiranje polprevodniške osnove iz silicijevega karbida tipa n.

SiC je na voljo v različnih politipih, ki se razlikujejo po razporeditvi silicijevih in ogljikovih atomov v mrežni strukturi. Vsak od njih ima drugačne fizikalne in kemijske lastnosti.

Kemična sestava

Silicijev karbid (SiC) je anorganska kemična spojina, sestavljena iz silicija in ogljika. Silicijev karbid je ena od najtrših znanih snovi, zato tekmuje z diamantom in borovim karbidom kot ena od najtrših znanih snovi. Silicijev karbid se uporablja v številnih industrijskih aplikacijah, med drugim kot abraziv in strukturna keramika; poleg tega se uporablja tudi za ognjevzdržne obloge, opeke za visoke temperature, grelne elemente ter proti obrabi odporne dele za črpalke in raketne motorje.

SiC ima zelo gosto atomsko strukturo, zaradi katere so med atomi silicija in ogljika močne kovalentne vezi, kar ustvarja močne kovalentne vezi med njimi. Atomi so organizirani v dva primarna koordinacijska tetraedra s štirimi silicijevimi in štirimi ogljikovimi atomi, ki so med seboj povezani z močnimi kovalentnimi vezmi.

Silicijev karbid v čistem stanju deluje kot električni izolator, vendar z dodajanjem dopantov, kot sta bor in aluminij, postane polprevodnik.

Silicijev karbid se lahko proizvaja z reakcijo različnih surovin v peči pri visokih temperaturah. Ko je material proizveden, ga je treba obdelati glede na predvideno uporabo - preden je primeren za predvideno uporabo, je na primer potrebno drobljenje, mletje ali kemična obdelava.

Silicijev karbid je zaradi svoje dolge življenjske dobe in ugodne cene eden najpogosteje uporabljenih materialov v lapidariju. Poleg tega se silicijev karbid kot industrijski abraziv že dolgo uporablja pri industrijski obdelavi, kot so brušenje, honiranje in rezanje z vodnim curkom. Poleg tega je silicijev karbid zaradi visoke trdnosti in odpornosti proti obrabi uporaben v številnih rudarskih in proizvodnih okoljih, zaradi svojih neprebojnih lastnosti pa je priljubljen sestavni del neprebojnih oklepnih rešitev.

Fizikalne lastnosti

Silicijev karbid (SiC) je izjemno trda, sintetično proizvedena spojina silicija in ogljika, ki je bila prvič množično proizvedena konec 19. stoletja in se je od takrat hitro uporabljala v industriji. SiC se je najprej uporabljal kot abraziv, kmalu pa se je razvil v ognjevzdržne obloge v industrijskih pečeh ter v obrabno odporne komponente v črpalkah in raketnih motorjih; poleg tega je zaradi svoje odlične toplotne prevodnosti in nizke toplotne razteznosti neprecenljiv material za elektronske komponente, kot so polprevodniki in svetleče diode, in še veliko več aplikacij kot kdaj koli prej!

Široka pasovna vrzel silicijevega karbida omogoča hitrejše potovanje elektronov skozi material kot pri siliciju, zaradi česar je idealen za hitrejšo mobilnost elektronov, odpornost proti koroziji, odpornost proti obrabi, visoko tališče in trdnost pri visokih temperaturah - lastnosti, zaradi katerih je ta material zaželen v številnih zahtevnih aplikacijah.

Aluminij je zaradi svoje kemične inertnosti, visokega tališča, odpornosti na visoke temperature in nizkega koeficienta raztezanja zelo primeren za izdelavo orodij in strojev. Aluminij je tudi glavna sestavina številnih abrazivnih materialov in bistvenega pomena za številne ognjevzdržne materiale.

Silicijev karbid je zaradi kombinacije trdnosti, toplotne prevodnosti in togosti odličen material za velike optične teleskope, kot so zrcala Herschelovega vesoljskega teleskopa. Poleg tega je zaradi svoje togosti in toplotne prevodnosti primeren tudi za podsisteme vesoljskih plovil, ki morajo vzdržati visoke temperature ali stopnje sevanja.

Kemijske reakcije

Silicijev karbid je trd material z izjemnimi fizikalnimi in kemičnimi lastnostmi. Sestavljen je iz silicijevih in ogljikovih atomov, razporejenih v urejeni mrežni strukturi, njegova izjemna trdnost in toplotna stabilnost pa prispevata k njegovi industrijski proizvodnji z redukcijo silicijevega dioksida z ogljikom pri visokih temperaturah v električni peči. Čisti silicijev karbid je običajno brezbarven, vendar se onesnažene različice pogosto kažejo kot modrikasto črn ali rjavkast prah zaradi nečistoč železa ali drugih onesnaževalcev, ki ga onesnažujejo.

Aluminij je izredno močan in prožen material, ki se uporablja za izdelavo abrazivov, brusov, rezalnih orodij, avtomobilskih delov, ognjevzdržnih opek, grelnih elementov in visokotemperaturne keramike. Zaradi odpornosti proti kemičnim reakcijam, nizke stopnje toplotnega raztezanja in sposobnosti polprevodniškega elementa je odličen material za uporabo v močnostni elektroniki.

Silicijev karbid lahko prenese tudi dolgotrajno izpostavljenost vodi, ne da bi se razgradil, zato je odličen material za komponente, ki morajo ostati potopljene v tekočine, kot so hladilne tekočine ali zrak. Vendar je treba opozoriti, da silicijev karbid pri višjih temperaturah reagira s plinskim vodikom in tvori silicijev dioksid in metan; do tega pride, ker njegova tetraedrična struktura pri višjih temperaturah izpostavlja atome molekulam vodika, ki se združujejo z molekulami kisika v ozračju in tvorijo vodno paro, vidno na njegovi površini.

Proizvodnja

Silicijev karbid se od številnih drugih pogosto uporabljenih materialov razlikuje po tem, da ga je treba izdelati. Za rezanje silicijevega karbida, ki je ena najtrših snovi, ki jih poznamo, so potrebna rezila z diamantnimi konicami. Žal pa je postopek izdelave silicijevega karbida lahko zapleten, zato ga je treba izboljšati, da bi sledil naraščajočemu povpraševanju.

Achesonov postopek je eden najpogosteje uporabljenih načinov proizvodnje, ki vključuje mešanje silicijevega dioksida in koksa pred segrevanjem na visoke temperature in kemično reakcijo med njima, pri čemer nastanejo svetlo zeleni kristali, dovolj veliki, da jih je mogoče videti, nato pa se zmes ohladi, da se ta rast ustavi in rast kristalov popolnoma ustavi. Po ohladitvi se lahko ta mešanica prahu združi z neoksidnimi sredstvi za sintranje (vezivi) za stiskanje s hladnim izostatičnim stiskanjem ali metodami iztiskanja.

Silicijev karbid se od drugih keramičnih materialov razlikuje po široki pasovni vrzeli, ki meri razliko v energiji, ki jo potrebujejo elektroni za preskok iz valenčnega v prevodni pas atoma, zaradi česar lahko prenese veliko višje napetosti in frekvence kot konkurenčni materiali.

Silicijev karbid je idealen material za polprevodniško elektroniko, ki zahteva uporovno segrevanje v zahtevnih okoljih, vključno z ležaji črpalk, ležaji črpalk, injektorji za peskanje, matricami in grelnimi elementi. Zaradi svoje trdnosti, trdote in vzdržljivosti je silicijev karbid tudi odlična izbira materiala za ležaje črpalk, ležaje črpalk, injektorje za peskanje, matrice in grelne elemente - ne pozabimo na dopiranje z aluminijem, borom ali galijem za proizvodnjo polprevodniškega silicijevega karbida tipa p, ki bi lahko zmanjšal aktivne hladilne sisteme, ki bi povečali težo in kompleksnost pri vgradnji v električna vozila - pomaga zmanjšati težo in hkrati povečati kompleksnost!