Kaj je sestava silicijevega karbida?

Silicijev karbid (SiC) je izjemno trda in trpežna kemična spojina, sestavljena iz silicija in ogljika, ki ima lastnosti polprevodnika s široko energijsko vrzeljo in se uporablja v elektronskih napravah, ki delujejo pri visokih temperaturah in napetostih.

SiC se v naravi pojavlja kot mineral, znan pod imenom moissanit, prvič pa so ga v večjih količinah začeli proizvajati kot brusivo leta 1893. Od takrat se je razvil v izjemno trpežno keramiko, ki se uporablja v številnih področjih, od avtomobilskih zavor in sklopk do neprebojnih jopičev.

Značilnosti

Silicijev karbid je inertna spojina, sestavljena iz silicija in ogljika, ki se po svojih kemijskih lastnostih odlikuje po inertnosti in trdnosti. Z dodajanjem dopantov, kot so dušik, fosfor ali galij, se iz njega izdelujejo polprevodniki. Ko se kristalizira, tvori gosto zapakirane strukture, v katerih vsak atom tvori štiri ogljikove/silicijeve tetraedre, ki med seboj tvorijo kovalentne vezi in tako oblikujejo štiri kubične strukture kovalentno vezanih silicijevih/ogljikovih tetraedrov, povezanih s kovalentnimi vezmi.

SiC je izjemno trd in vzdržljiv material z odličnimi električnimi lastnostmi, zaradi česar je primeren za komponente, ki delujejo pri visokih temperaturah in frekvencah, ne da bi pri tem trpela zanesljivost, kot so tranzistorji in Schottkyjeve diode.

Edward Acheson je umetni silicijev karbid prvič proizvedel leta 1891 po naključju, ko je v električni peči segreval mešanico ogljika in silicijevega dioksida, pri čemer so nastali črni kristali, podobni diamantu. Kasneje jih je v naravi opazil Henri Moissan na najdišču meteorita Canyon Diablo v Arizoni, ki je to snov poimenoval moissanit.

V industriji se silicijev karbid lahko proizvaja bodisi z reakcijskim vezanjem bodisi s postopki sintranja; obe metodi pomembno vplivata na njegovo končno mikrostrukturo. Reakcijsko vezani SiC se lahko proizvaja z infiltracijo kompaktov, sestavljenih iz silicijevega karbida in ogljika, s tekočim silicijem; to povzroči, da se več SiC veže na izvorne delce prek kemične reakcije. Sintranje vključuje stiskanje praškastega SiC v ingote, dokler se med dvema reagiranima plastema ne oblikuje nereagirana plast; nato jih ponovno stisnemo, kar ustvari plasti a-SiC in b-SiC z nereagiranimi plastmi med njimi, ki so posledica stiskanja ingotov iz praškastega SiC; tako nastanejo plasti a-SiC in b-SiC z nereagiranimi plastmi med njimi, z nereagiranim slojem med njimi, v nasprotju z reakcijsko vezanim SiC, z nereagiranimi plastmi med dvema metodama polnjenja in vezanja, ki proizvajata SiC-ingote, oblikovane s stiskanjem ingotov iz SiC v prahu, pri čemer se plasti (a-SiC in b-SiC z nereagiranimi plastmi med njima) oblikujejo s stiskanjem SiC v prahu v ingote, ustvarjene s stiskanjem SiC v prahu v ingote. Pri sintranju se prah SiC stiska v ingote, pri čemer se oblikujejo plasti (a-SiC in nereagirana plast med njima).

Tveganja za zdravje in varnost, ki jih povzročajo prah in vlakna, nastala med obdelavo, so glavna skrb pri trdih materialih, kot je grafit. Ti lahko dražijo oči in kožo, povzročajo bolezni dihal, kot je pljučna fibroza, ali prispevajo k nastanku rakavih obolenj.

Lastnosti

Karbid silicija v čisti obliki se ponaša z odlično kemično in toplotno odpornostjo, zaradi česar je primeren za brušenje trdih kovin, kakršne se uporabljajo v sodobnih kovinskih obdelavah. Zaradi svoje izredno abrazivne površine se karbid silicija pogosto uporablja tudi kot brusivo v sodobnem kamnosekstvu, saj je trpežen in relativno cenovno dostopen. Silicijev karbid se uporablja tudi kot grelni elementi v industrijskih pečeh, kot tudi v obliki delov, odpornih proti obrabi, ki se uporabljajo v strojih, kot so drobilniki in črpalke, ter kot polprevodniški substrati za svetleče diode (LED).

Silicijev karbid se lahko oblikuje v različne polimorfe z nadzorovanjem temperature reakcije in procesa nastajanja, pri čemer ima alfa-silicijev karbid (a-SiC) heksagonalno kristalno strukturo, podobno wurtzitu. Beta-silicijev karbid (b-SiC) pa ima kristalno strukturo cinkove blende, ki spominja na diamant. Nazadnje je tetraedrični silicijev karbid (TiC), ki ima visoko napetostno odpornost, vendar se proizvaja le v majhnih količinah, in velja za najzahtevnejšega med vsemi.

Čisti SiC je neprozoren kristal rumene, zelene ali modro-črne barve s povprečno gostoto 3,21 g/cm³, ki se tali pri 2700 °C; v vodi je netopljiv, vendar se v raztopini raztaplja z alkalijami, kot sta NaOH ali KOH. Ko se stopi s silicijem, tvori karbidno steklo, medtem ko se ob uparjanju lahko oblikujejo monokristalni blokki za uporabo v elektronskih napravah.

Aplikacije

Silicijev karbid je izjemno trden, korozijsko odporen in trd material s trdoto po Mohsovi lestvici 9. Zaradi svoje odpornosti proti praskam ga je zelo težko opraskati ali zlomiti, zaradi česar je idealen za visokonapetostne aplikacije, kot so avtomobilske zavore. Polprevodniške lastnosti silicijevega karbida z široko energijsko vrzeljo prav tako zmanjšujejo porabo energije za premik elektronov v prevodni pas (trikrat manjšo kot pri siliciju). Zaradi tega je silicijev karbid odličen kandidat za visokonapetostne aplikacije.

Karbid ogljika se lahko sintetizira z reakcijo ogljika s kremenčevim peskom v električni grafitni peči pri temperaturah med 1.600 in 2.500 °C; prvič ga je umetno ustvaril Edward Acheson leta 1891 za industrijske brusilne namene. Njegovo delo je navdihnilo Henrija Moisana v Franciji, da je sintetiziral silicijev karbid z mešanjem kremena z ogljikom, kar je privedlo do nastanka moissanita, ki se danes pogosto uporablja v nakitu.

Silicijev karbid ima kot ognjevzdržen material številne uporabe, ki segajo od izdelave rezalnih orodij in brusilnih sredstev, konstrukcijskih materialov (neprebojnih jopičev in kompozitnih oklepov), avtomobilskih delov (zavornih kolutov) do materialov, odpornih proti obrabi, za črpalke in raketne motorje. Silicijev karbid se uporablja tudi v svetlečih diodah in tranzistorjih zaradi svoje nizke toplotne raztegljivosti, odpornosti proti kemičnim reakcijam in sposobnosti, da prenese visoke temperature; njegova togost, trdota in visoka toplotna prevodnost ga zaradi vesoljskih pogojev ter ravni sevanja, ki bi lahko uničile druge optične materiale, naredijo za privlačno izbiro materiala za zrcala v astronomskih teleskopih.

Proizvodnja

Proizvodni postopki za silicijev karbid vključujejo več korakov, namenjenih proizvodnji materiala najvišje kakovosti. Surovine morajo najprej preiti stroge postopke čiščenja, s katerimi se odstranijo nečistote; to proizvajalcem omogoča boljši nadzor nad sestavo končnega izdelka.

Po prečiščenju se silicijev in ogljikov prah zmešata v določenih razmerjih, da se doseže želena sestava SiC. Nato se z različnimi tehnikami, kot so stiskanje, iztiskanje in litje iz kaše, oblikujeta v različne oblike, na primer v ploščice ali brusna zrna, preden se s sintranjem segrevata na visoke temperature za nadaljnjo utrjevanje v trdnejše, gostejše in trajnejše izdelke z izboljšanimimi mehanskimi lastnostmi.

Med izdelke iz silicijevega karbida spadajo keramična neprebojna jopiča ter avtomobilske zavore in sklopke iz silicijevega karbida; iz velikih monokristalov SiC je mogoče celo pridobiti redke dragulje, kot je moissanit.

SiC je anorganska kemična spojina, vendar je mogoče doseči, da se obnaša bolj kot polprevodnik, in sicer z dodajanjem nečistot, kot sta dušik ali fosfor, ki ustvarjata območja n-tipa oziroma p-tipa. Zaradi tega SiC prevaja elektriko glede na spremembe temperature in jakosti – kar ga naredi idealnega za uporabo v močnostni elektroniki.