Formula silicijevega karbida

Silicijev karbid, pogosteje imenovan karborundum, je trda in močna neoksidna keramika z edinstvenimi fizikalnimi lastnostmi, ki se pogosto uporablja v abrazivih in metalurgiji.

SiC se sprva proizvaja po Achesonovem postopku, danes pa se množično proizvaja v električnih opečnih pečeh z mešanjem čistega kremenčevega peska z drobno zmletim koksom, pri čemer nastanejo rumeno-zeleni do modrikasto-črni kristali z izstopajočo iridescenco.

Fizikalne lastnosti

Silicijev karbid (SiC) je izredno trda, kristalinična spojina silicija in ogljika, znana kot moissanit, ki jo je v naravnem stanju (meteorit Canyon Diablo v Arizoni) prvič odkril Nobelov nagrajenec za kemijo Henri Moissan leta 1893 v okviru svojih raziskav naravnih materialov.

Silicijev karbid ima večplastno kristalno strukturo in je na voljo v različnih politipih s posebnimi vrstami silicijevih in ogljikovih atomov, znanimi kot 3C-SiC; čeprav obstaja več kot 100 drugih struktur s podobnimi kemijskimi in fizikalnimi lastnostmi.

Silicijev karbid se lahko s sintranjem (povezovanje delcev pri visokih temperaturah) z različnimi metodami pretvori v keramične materiale. Eden od priljubljenih postopkov za to je reakcijsko vezani SiC, znan tudi kot Hexoloy(r), pri katerem se uporablja reakcijsko vezani sik v prahu, pomešan s porozno ogljikovo surovino z dodajnim oblikovanjem, litjem ali iztiskanjem, da se proizvede popolnoma zgoščen keramični material z izjemnimi kemičnimi in mehanskimi lastnostmi, ki deluje pri ekstremnih temperaturah končne uporabe.

Kemijske lastnosti

Silicijev karbid ima številne koristne lastnosti, zaradi katerih je dragocena industrijska spojina. Je kemično inerten in odporen proti koroziji. Poleg tega je silicijev karbid odličen abraziv, ki se zaradi svoje trajnosti in trdote 10,5 po Mohsu pogosto uporablja v sodobnem lapidariju.

Ta kristalinični material je mogoče dopirati, da se pridobijo polprevodniki n- in p-tipa, pri čemer se z dopiranjem dušika pridobijo prvi, z dopiranjem galija, aluminija ali bora pa drugi polprevodniki. Ima visoko temperaturno toleranco in ne reagira z alkalijami ali večino organskih snovi, razen s fluorovodikovo kislino.

Silicijev karbid se zaradi svoje izjemne odpornosti uporablja v različnih aplikacijah, od keramičnih zavornih kolutov za športne avtomobile in neprebojne jopiče do tesnil črpalnih gredi, saj ima visoko toplotno prevodnost in sposobnost odvajanja torne toplote, preden se ta prenese na jeklene površine ležajev. Poleg tega zaradi kompleksne kemične sestave obstaja več oblik ali politipov, ki vsebujejo različne kristalne strukture in razporeditev vezi v spojini.

Električne lastnosti

Silicijev karbid je v zadnjih letih ponovno pridobil priznanje zaradi svojih izjemnih mehanskih lastnosti, kot sta visoka trdota in kemijska inertnost, ponaša pa se tudi z uporabnimi električnimi lastnostmi. Silicijev karbid zaradi svoje kristalinične strukture omogoča vnos nečistoč, znanih kot dopiranje, s katerim se v njegovem materialu ustvari več prostih nosilcev naboja, kot so elektroni in luknje, kar poveča prevodnost.

Edinstvena atomska struktura silicijevega karbida omogoča razmeroma visoko toplotno prevodnost zaradi tesnega pakiranja atomov z velikimi polmeri in posledično fonične prevodnosti; to silicijevemu karbidu daje prednost pred drugimi strukturnimi keramikami, kot sta aluminijev nitrid in berilij, ki imata zaradi večjih atomskih radijev nižjo toplotno prevodnost.

silicijev karbid se v majhnih količinah pojavlja v naravi kot kristalni mineral moissanit; vendar se večina komercialno uporabljenega silicijevega karbida proizvaja sintetično za uporabo kot abraziv ali napredni ognjevzdržni material z vžiganjem mešanice kremenčevega peska in ogljika v opečni peči z električno upornostjo.

Mehanske lastnosti

Silicijev karbid (SiC) je izjemno trd keramični material s trdoto po Mohsovi lestvici 9. Običajno je videti kot rumeni do zeleni ali modrikasto črni mavrični kristali, ki sublimirajo pri temperaturi 2700 stopinj Celzija, nato pa razpadejo v vodi ali z alkalijami in železom pri višjih temperaturah, imajo odlično korozijsko odpornost in trdnost pri temperaturah do 1600 stopinj Celzija, pri čemer imajo tekstura, velikost zrn, napake pri zlaganju, nečistoče ali napake pri zlaganju sekundarno vlogo na mehanske lastnosti.

Proizvaja se industrijsko po Achesonovem postopku, ki vključuje mešanje silicijevega dioksida z ogljikom v električni peči pri visokih temperaturah po Achesonovi metodi, ali pa se nahaja v naravi kot moissanit, prvič odkrit v meteorskem kraterju Canyon Diablo v Arizoni leta 1893. Moissanit je že dolgo priznan kot pomemben material v napredni funkcionalni keramiki, abrazivih in metalurških surovinah zaradi odlične toplotne prevodnosti in minimalnega toplotnega raztezanja ter izjemne kemijske stabilnosti; odporen je na večino organskih in anorganskih kislin ter soli, vendar so prisotne fluorovodikova kislina ali kisli fluoridi.