Opredelitev silicijevega karbida

Silicijev karbid (SiC) je anorganski keramični material, ki se pogosto uporablja v mehansko in toplotno zahtevnih aplikacijah; po trdoti mu je nadrejen le borov karbid in diamant.

Karborundum je prvič odkril ameriški izumitelj Edward G. Acheson leta 1891, ko je poskušal izdelati umetne diamante, in od takrat je postal nepogrešljiva sestavina rezalnih orodij in ognjevzdržnih oblog.

Trdota

Silicijev karbid ima izjemne fizikalne lastnosti, vendar ga pogosto napačno razumejo in tolmačijo. Trdoto pogosto zamenjujejo s trdnostjo; v resnici pa se nanaša na odpornost materiala proti deformaciji, ne pa na togost ali trdnost.

Trdota materialov se določa na podlagi njihove mikrotrdnosti ali modula strižne trdnosti v majhnem merilu v vseh smereh, ne pa na podlagi njihove togosti ali Youngovega modula, ki je odvisen od različnih dejavnikov, vključno z geometrijo in kemijsko sestavo; na primer, silicijev karbid je precej trdnejši od diamanta, vendar manj tog od osmija ali volframa.

Trdnejši materiali so ponavadi bolj odporni proti poškodbam, vendar manj prožni ali elastični kot njihovi mehkejši ekvivalenti – zato se pojma »trdnost« in »trdota« včasih uporabljata kot sopomenki.

Karbid silicija se ponaša z največjo trdoto med vsemi kristalnimi spojinami, čeprav ni povsem tako trd kot diamant. Karbid silicija, ki se industrijsko proizvaja za uporabo kot brusivo ter v drugih metalurških in ognjevzdržnih aplikacijah, pa tudi v proizvodnji keramike, se pojavlja tudi kot sintetični moissanit v nakitu, ki nadomešča naravne dragulje.

Kompoziti, ki vsebujejo silicijev karbid, kažejo povečanje trdote, sorazmerno z njihovim masnim deležem SiC, saj so vgrajeni v matriko in so bolj odporni proti poškodbam ter strižnim silam.

Toplotna prevodnost

Silicijev karbid ima visoko toplotno prevodnost, kar pomeni, da zlahka prenaša toploto. To poteka prek molekularnih vibracij in stika med molekulami znotraj materiala; pri tem prenosu imajo ključno vlogo temperaturni gradienti po njegovi debelini, pa tudi gostota in kristalna struktura njegovih sestavnih delov.

Toplotna prevodnost je ključna lastnost pri proizvodnji napredne keramike, kot je tista, ki se uporablja v avtomobilskih zavorah in sklopkah, saj tem materialom omogoča delovanje pri višjih temperaturah, ne da bi pri tem izgubili svoje mehanske lastnosti. Keramika se pogosto uporablja tudi kot material za neprebojne jopiče, saj je dovolj trdna, da prenese izjemno velike sile, ne da bi se zlomila.

Visoka prevodnost SiC omogoča, da polprevodniki, izdelani iz SiC, delujejo pri precej višjih frekvencah in temperaturah kot tranzistorji in diode na osnovi silicija, kar zmanjšuje izgube moči in hkrati povečuje zanesljivost.

Kemična sestava silicijevega karbida ga prav tako uvršča med izredno stabilne materiale, odporne proti koroziji, zaradi česar je ena izmed najtrajnejših industrijskih in metalurških keramik, ki so danes na voljo. Odlikuje ga odlična odpornost proti kemikalijam, kot so klorovodikova, žveplova in fluorovodikova kislina, ter koncentriranim bazam, kot je natrijev hidroksid. Poleg tega se silicijev karbid lahko stopi celo pri visokih temperaturah, da tvori močne vezi s steklom ali drugimi krhkimi materiali, kot je keramika.

Električna prevodnost

Električna prevodnost SiC-ja ga uvršča med neprecenljive materiale v energetskih aplikacijah, zlasti v tistih, kjer se uporabljajo velike količine toka. Zaradi svojih izjemnih električnih lastnosti se je SiC uveljavil kot primerna alternativa silicijevim polprevodnikom za zahtevne namene, kot so elektronska oprema v električnih avtomobilih ter instrumenti na sondah, namenjenih za polete na Mars ali Venero (Mantooth, Zetterling & Rusu).

Visoko električno prevodnost SiC-ja je mogoče pripisati njegovi široki energijski vrzeli. Razlika med valenčnim in prevodnim pasom določa, ali je material prevodnik ali izolator; pri široki vrzeli se elektroni lahko prosto gibljejo iz valenčnega pasu v prevodni pas, medtem ko za prehod te vrzeli pri izolatorju potrebujemo neprimerno veliko količino energije.

Kemična infiltracija iz pare (CVI) ali impregnacija s polimerom in piroliza (PIP) SiC tipa n v njegovo matriko poveča električno prevodnost za dva do tri redove velikosti pri višjih temperaturah, kar je posledica nastajanja kristalov z manjšimi energijskimi vrzeli kot jih ima nepreoblikovan silicijev karbid. To povečanje je mogoče pripisati nastajanju novih kristalov SiC z večjo električno prevodnostjo.

Material Si-SiC ima električno prevodnost med 10⁵ in 10⁷ Ohm*cm zaradi nizke stopnje toplotnega raztezanja ter električne prevodnosti 10⁵–10⁷ Ohm*cm na cm², zaradi česar je primeren za uporabo v aplikacijah, ki zahtevajo visoke tokove, visoke temperature, odpornost proti eroziji in zaščito pred korozijo. Zaradi te kombinacije lastnosti se Si-SiC izkazuje kot idealna izbira.

Kemična sestava

Silicijev karbid je sestavljen iz atomov ogljika in silicija, razporejenih v štiristranske strukture, povezane z močnimi vezmi, ki tvorijo njegovo kristalno strukturo. Te močne vezi silicijevemu karbidu dajejo izjemno trdo in žilavo površino, ki je hkrati tudi kemično odporna; njegova trajnost ga ščiti tudi pred kislinskimi vplivi ter pred toplotnimi šoki do 1600 °C. Poleg tega je zaradi odlične odpornosti proti poškodbam zaradi udarcev primeren za uporabo v aplikacijah, kjer je pomemben dejavnik fizična obraba, kot so brizgalne šobe, šobe za peskanje ali sestavni deli ciklonov.

Keramični nanodelci so eden od najlažjih, najtrdnejših in najtrših naprednih keramičnih materialov, ki so na voljo. Odlikujejo jih odlične električne lastnosti, odlična toplotna prevodnost in nizek koeficient toplotnega raztezanja; poleg tega so kot polprevodniški material odporni proti visokim temperaturam.

Silicijev karbid je polprevodnik s široko energijsko vrzeljo, zaradi česar je primeren za močnostno elektroniko. Njegova napetostna odpornost je 10-krat višja od navadnega silicija, v sistemih, ki delujejo pri visokih hitrostih ali temperaturah, pa je boljši od galijevega nitrida.

Proizvodnja sintetičnega diamanta, namenjenega predvsem za uporabo kot brusivo, poteka sintetično; vendar pa med druge uporabe sintetičnega diamanta sodijo tudi aplikacije v draguljarstvu. Zaradi svoje dolge življenjske dobe in odpornosti proti obrabi ga sodobni draguljarji pogosto uporabljajo kot sestavino zaradi njegove trajnosti in odpornosti proti poškodbam zaradi obrabe. Poleg tega se sintetični diamant uporablja tudi kot brusivo v brusilnih orodjih, avtomobilskih delih in ognjevzdržnih materialih – poleg tega, da je trden, trajen in koristen v kombinaciji z materiali, kot sta jeklo in volframov karbid, pri obdelavi v kombinaciji z drugimi trdimi in trajnimi materiali, kot sta jeklo in volframov karbid, za boljše rezultate.