Silicijev karbid Tališče

Silicijev karbid (splošno znan kot SiC) je sintetična kristalna snov, ki je v čisti obliki brezbarvna in se uporablja za izdelavo brusilnih sredstev, ognjevzdržnih materialov, keramike, stekla in trdih zlitin, kot je jeklo.

SiC se proizvaja s taljenjem kremenčevega peska in ogljika v električnih upornostnih pečeh pri visokih temperaturah. Bor lahko pripomore k večji zgoščenosti.

Temperatura

Silicijev karbid (SiC) je trd in ognjevzdržen polprevodniški material s polimorfnimi strukturami, ki temeljijo na zaporedjih nalaganja atomov ogljika in silicija, med katerimi prevladuje struktura cinkove blende (3C SiC). Druge strukture SiC so lahko kubične, heksagonalne ali romboedrične oblike, za lažjo identifikacijo pa se imenujejo alfa SiC ali beta SiC. SiC-jevi mavrični kristali, ki so rumene, zelene do modro-črne barve, se sublimirajo pri 2700 °C, pri čemer se njihova gostota ob sublimaciji približuje 3,21 g/cm³.

Edward Goodrich Acheson je leta 1893 objavil odkritje te snovi in njeno poznejšo komercialno proizvodnjo pod imenom »Carborundum«, ki je bilo dano njeni kristalni obliki. Danes se ta trda snov pogosto uporablja kot brusivo v brusnih ploščah in orodjih za rezanje kovin, prav tako pa se jo uporablja za oblaganje peči v obratih za proizvodnjo neželeznih kovin ter kot ognjevzdržen material pri toplotni obdelavi kovin, v postopkih proizvodnje stekla in v obratih za proizvodnjo polprevodniške elektronike.

Tališče silicijevega karbida je odvisno od tlaka. Kot je prikazano na sliki 2, njegova eksperimentalna krivulja predstavlja številne poskuse hitrega ohlajevanja, izvedene pri različnih temperaturah in tlakih. Kot kaže negativni naklon krivulje, se temperature taljenja z naraščanjem tlaka znižujejo, kar je v skladu s predvidevanji ab initio izračunov, temelječih na teoriji funkcionala gostote. Ta trend potrjujejo tudi ab initio napovedi, izdelane z uporabo ab initio modelov teorije funkcionala gostote. Podjetje American Elements ponuja impresivno paleto visoko čistih sestav silicijevega karbida, ki sega od standardnih in po meri izdelanih sestav, palic, trakov, plošč in prahu – pa tudi drugih obdelanih oblik, ki so na voljo na zahtevo – glede na stopnje čistosti in druge lastnosti, kot so organokovinske spojine ali raztopine. Ta široka izbira je na voljo kot standardni material iz zaloge pri podjetju American Elements ali pa se lahko prilagodi po specifikacijah stranke za uporabo v raziskovalnih namembnostih.

Tlak

Silicijev karbid (SiC) je izjemno trda, kovalentno vezana spojina silicija in ogljika, ki se v naravi pojavlja kot mineral moissanit in se od leta 1893 masovno proizvaja za uporabo kot brusivo. Zrna silicijevega karbida se lahko s sintranjem združijo v trdo keramiko z številnimi uporabami; z dodajanjem dušika ali fosforja nastane polprevodnik n-tipa, medtem ko z dodajanjem bora, aluminija, galija ali berilija lahko nastanejo polprevodniki p-tipa.

Silicijev karbid se tali pri različnih tlakih, odvisno od njegove kristalne strukture in temperature, pri čemer ima alfa-modifikacija (a-SiC) heksagonalno gosto zapakirana zrna, podobna wurtzitu, medtem ko ima beta-modifikacija (b-SiC) kristalno strukturo cinkove blende, podobno diamantu. SiC je sestavljen iz več polimorfov, katerih elementarne celice segajo od kubičnih do romboedričnih; med njimi prevladuje alfa-modifikacija, ki ima heksagonalno gosto zapakirana zrna, podobna wurtzitu, medtem ko ima beta-modifikacija (b-SiC), ima kristalno strukturo s tesno zapakiranimi heksagonalnimi kristali, podobno wurtzitu.

Oblike silicijevega karbida a-SiC se pogosto uporabljajo za polirni papir in brusna sredstva, medtem ko ima njegova različica b-SiC omejene komercialne uporabe. Njihove tališča so bila izmerjena do temperature 3300 K in v teh pogojih sta se obe vrsti talili kongruentno, pri čemer je njihova tališča krivulja kazala negativni naklon -44+4 K/GPa, kar kaže na višjo gostoto staljenega a-SiC v primerjavi z b-SiC.

Gostota

Silicijev karbid je izjemno trd material z odlično odpornostjo proti koroziji in obrabi, z visokim tališčem, ki omogoča vzdrževanje velikih pritiskov, ter brez kemičnih nečistoč – zato ga je mogoče taliti za tvorbo različnih kovin pri sobni temperaturi ali z uporabo visokega tlaka. Uporablja se predvsem kot abrazivni in ognjevzdržen material v aplikacijah, kot so obloge peči. Silicijev karbid je odporen tudi proti večini organskih snovi, anorganskih kislin in soli (razen fluorovodikove kisline), vendar ne proti fluorovodikovi kislini!

Zaradi svojih ognjevzdržnih lastnosti se silicijev karbid široko uporablja v abrazivnih izdelkih, kot so avtomobilske zavore in sklopke, ter v keramičnih ploščah za neprebojne jopiče. Poleg tega se uporablja tudi v proizvodnih strojih, vključno z vrtalniki, brusnimi koluti, rezkalnimi rezili in sistemi za lasersko rezanje. Poleg tega se ponaša z velikim energijskim razmakom, kar ga naredi primernega za elektronske komponente, kot so radarski sistemi, mikrovalovne antene, sončne celice in visokonapetostne naprave.

Gostota silicijevega karbida se giblje med 2,8 in 3,2 g/cm³. Taljenje poteka pri nizkih temperaturah, pri čemer nastane kristalna mreža iz tetraedrov silicijevega dioksida in ogljika z močnimi kovalentnimi vezmi med atomi ogljika in silicija. Njegovo tališče je mogoče enostavno napovedati s simulacijami molekularne dinamike, ki temeljijo na teoriji funkcionala gostote (DFT); temperature taljenja dosegajo vrh pri okoli 1200 °C, najnižja vrednost pa znaša 3000 °C; izračunana krivulja taljenja ima negativni naklon -44 ± 4 K/GPa, kar se dobro ujema z eksperimentalnimi podatki o taljenju.

Kemična sestava

Silicijev karbid (SiC) je netopna kristalna snov, običajno rumene do zelene barve z modro-črnimi odtenki, ki se pri 2700 °C sublimira in preide v prah. Čeprav je netopljiv v vodi, se raztaplja v lugih (NaOH in KOH) ali železu. Čeprav je netopljiv, se sublimira pri gostoti 3,21 g/cm³, pri čemer je temperatura sublimacije okoli 2700 °C.

Karbid silicija združuje atome Si in C v dveh primarnih koordinacijskih tetraedrih, pri čemer so štirje atomi Si vezani na osrednji atom ogljika; ti tetraedri so nato med seboj povezani na vogalih in se nalagajo, tako da tvorijo polarne strukture, ki temu materialu dajejo njegovo trdoto. V kristalih silicijevega karbida obstajajo različne zaporedja zlaganja, imenovane polimorfni oblike, atomov Si in C, ki temu materialu dajejo raznolikost oblik in lastnosti.

Čisti silicijev karbid je običajno električni izolator; vendar je mogoče njegovo prevodnost povečati z dopiranjem z dušikom ali fosforjem ter z dodajanjem bora ali aluminija. Karborund, ki se uporablja v kristalnih radijih, pogosto vsebuje dopiran silicijev karbid.

Silicijev karbid se kot brusivo uporablja že od leta 1912. Poleg tega se uporablja tudi za izdelavo ognjevzdržnih oblog, visokotemperaturnih opek in keramike, avtomobilskih delov, brusnih kolutov, rezalnih orodij, trdih električnih komponent ter sestavnih delov neprebojnih jopičev. Zaradi najvišje tališča in najvišje trdote po Mohsovi lestvici med naprednimi keramičnimi materiali ter goste strukture, ki preprečuje kemično korozijo, ostaja silicijev karbid priljubljen kot brusivo.