Densiteten hos kiselkarbid

Kiselkarbid (SiC) är ett av de lättaste, hårdaste och starkaste avancerade keramiska materialen med överlägsen beständighet mot syror, smälta salter, låg värmeutvidgning och nötning. Dessutom gör dess styrka och styvhet att det kan motstå fysiskt slitage som erosion eller slitage i spraymunstycken eller andra komponenter i en applikation.

Acheson var först med kommersiell produktion av SiC 1891 genom reaktionsbindning eller sintring.

Täthet

Kiselkarbid (SiC) är en oorganisk kemisk förening som består av kisel och kol. SiC finns naturligt som det sällsynta mineralet moissanit, men har också massproducerats som pulver eller enstaka kristaller sedan 1893 och används som slipmedel. Dessutom innehåller SiC-keramikplattor som används för skottsäkra västar detta material, liksom det odlas som halvledare för att skapa ljusröda LED-lampor vars grönblåa ljus utgör ett bra slipande ytmaterial.

Kiselkarbid har en exceptionellt hög densitet på 3,21 g cm-3, vilket gör den till en av de tätaste föreningarna på jorden. Även om det är olösligt i vatten kan det lösas upp med alkalier som NaOH och KOH och till och med järn smält vid temperaturer högre än 2700 degC. Kiselkarbid reagerar inte heller snabbt med luft eller vatten, men kan genomgå kemiska reaktioner vid högre temperaturer som ger upphov till amorf kiseldioxid och metan som biprodukter.

Kiselkarbid är ett utmärkt materialval för rymdteleskop på grund av dess överlägsna slitstyrka, låga värmeutvidgning och styvhetsegenskaper. Den låga expansionen gör att teleskopspeglar kan kylas utan att de vrider sig eller smälter under kylningen; Herschel- och Gaia-teleskopen har båda använt kiselkarbidspeglar.

Kiselkarbid kan också användas som råmaterial för eldfasta material på grund av dess hållbarhet mot extrema temperaturer. Dess användning som isoleringsfoder i ugnar och ugnar i olika industrier gör detta material till en viktig del av dessa beläggningar. Dessutom spelar kiselkarbid en viktig roll vid tillverkningen av glas och keramiska material.

Den globala efterfrågan på kiselkarbid ökar snabbt, särskilt i Asien och Stillahavsområdet. Den snabba expansionen i denna region kan hänföras till en ökad försäljning av elfordon och investeringar i laddningsinfrastruktur; dessutom bör det ökande intresset för förnybara energikällor driva efterfrågan på kiselkarbid i denna region.

STMicroelectronics N.V. i Schweiz, Infineon Technologies AG i Tyskland, Semiconductor Components Industries LLC från USA, WOLFSPEED INC i USA, ROHM Co Ltd från Japan är bland de marknadsaktörer som aktivt utökar sin närvaro på den globala kiselkarbidmarknaden. För att göra detta har dessa aktörer implementerat både organiska och oorganiska tillväxtstrategier såsom produktlanseringar, avtal, partnerskap, samarbeten kontrakt förvärv eller expansioner för att stärka sina positioner inom denna globala industri.

Young's Modulus

Kiselkarbid är ett av de hårdaste keramiska materialen på jorden och kan motstå höga temperaturer och kemiska miljöer samt är mycket motståndskraftigt mot korrosion, nötning och erosion. På grund av dessa egenskaper är kiselkarbid ett utmärkt konstruktionsmaterial med utmärkt utmattningshållfasthet och dimensionsstabilitet.

Youngs modul är en materialegenskap som mäter de elastiska egenskaperna hos prover och kvantifierar hur mycket kraft som krävs för att orsaka böjning under belastning. Ett dragprov kan användas för att beräkna Youngs modul medan dess lutning kan ge information om böjspänningsberäkningar och göra det möjligt för ingenjörer att bedöma om nya material kommer att uppfylla specifika applikationskriterier.

Denna forskning undersöker stabiliteten, de mekaniska och termodynamiska egenskaperna hos b-Si1-xC genom att utföra beräkningar enligt första principen med hjälp av täthetsfunktionalteori (DFT),38 som implementerats i Cambridge serial total energy package (CASTEP). Interaktion mellan joner och elektroner representeras via pseudopotentialmetoden med plan förstärkt våg; utbytes- och korrelationsfunktioner mellan atomer kan beskrivas antingen med lokala täthetsapproximationer eller generaliserade gradientapproximationer; i sin tur ökar ökande dopning egenskaper för densitet, molär volym och Youngs modul när dopning gör b-Si1-xC.

I en annan studie odlades 100 nm och 300 nm tjocka a-SiC-filmer med hjälp av PECVD och deras egenskaper studerades med hjälp av ellipsometri, AFM och XRR. Värmekonduktivitet och Youngs modul visade inga signifikanta skaleffekter medan massdensiteten för dessa tunna filmer var betydligt lägre än för SiC i bulk på grund av minskad bindningstäthet inom mikrostrukturerna. Slutligen observerades mekaniska egenskaper som hög Young-modul och stabilitet i dem.

Porositet i material kan direkt kopplas till dess Young-modul via dess Poisson-tal, eftersom Poisson-talet minskar när densiteten gör det; med hjälp av detta förhållande kan man beräkna dynamisk Young-modul med hjälp av dess soniska log. Formellt sett:

Termisk konduktivitet

Kiselkarbid (SiC) är ett attraktivt halvledarmaterial med utmärkt värmeledningsförmåga och låg värmeutvidgningskoefficient, vilket gör det lämpligt för många tillämpningar inom värmeproduktion och värmeöverföring. SiC finns i speglar i astronomiska teleskop på grund av sin låga vikt och styvhet; dessutom bidrar dess höga temperaturbeständighet och värmeledningsförmåga till att motverka distorsion eller nedbrytning under drift.

Värmekonduktiviteten i SiC bestäms av dess sammansättning och struktur, där stökiometriska varianter har högre värmeledningsförmåga än off-stökiometriska varianter på grund av att fria elektroner har mycket mindre effekter på gittervibrationer än fononer, den huvudsakliga källan till värmeenergi som genereras från vibrerande kristaller. Icke-stökiometriska varianter kan öka i värmeledningsförmåga med tillsats av små mängder Si eller C; dess totala värmeledningsförmåga ligger dock fortfarande efter den för ren SiC på grund av att fria elektroner har mycket mindre inverkan på gittervibrationer än fononer som genererar värmeenergi termiskt.

Det finns två huvudsakliga polymorfer av SiC: alfa-kiselkarbid (a-SiC), med en Wurtzite-kristallstruktur, och beta-kiselkarbid (b-SiC), med zinkblende-kristallstruktur. A-SiC är den vanligaste varianten med breda kommersiella tillämpningar, medan den senare hittills har haft mindre kommersiell aktivitet.

Ny forskning undersökte effekten av fassammansättning och mikrostruktur hos b-SiC på dess värmeledningsförmåga. Materialet tillverkades genom vätskefas-gnistplasmasintring med Y2O3 och Al2O3 som sintringshjälpmedel; mätningar av värmeledningsförmågan jämfördes sedan med den hos dess modermaterial b-SiC och resultaten visade dess korrelation med fassammansättningen/mikrostrukturen hos dess sintringsblandning.

Värmeledningsförmågan för ren aluminium (Al) är 237 W/mK, men ofta mycket lägre för tunna filmer. En termisk analys och ultraljudsresponsmätningsteknik användes för att analysera tunna filmer gjorda av a-SiC med liknande resultat - kAl = 210 + 10 W / mK vilket motsvarar värden som rapporterats i litteraturen om bulk a-SiC.

Motståndskraft mot korrosion

Kiselkarbidens korrosionsbeständighet i sura eller alkaliska miljöer är utomordentlig, vilket gör det till ett idealiskt material för många tuffa applikationer där andra material som metall snabbt skulle brytas ned. Kiselkarbid är också ett utmärkt materialval för mekaniska tätningar som måste fungera i fientliga kemiska miljöer.

Kiselkarbidens korrosionsbeständighet beror delvis på dess unika struktur. Den kristalliserar i ett sammankopplat, tätt packat arrangemang bestående av kovalent bundna atomer som bildar primära koordinationstetraeder med fyra kol- och fyra kiselatomer sammankopplade med hörn i polytypstrukturer som kallas polytyper; ett sådant arrangemang och en sådan struktur förklarar också kiselkarbidens höga värmeledningsförmåga.

Kiselkarbid i sin renaste form är en elektrisk isolator, men med noggrann tillsats av föroreningar - så kallade dopämnen - kan den bli en elektrisk halvledare. Genom att dopa kiselkarbid med aluminium-, bor- och galliumdopningsmedel för halvledaranvändning av P-typ; kväve- och fosfordopningsmedel producerar halvledaranordningar av N-typ för specifika ändamål.

Kiselkarbid används ofta i abrasiva bearbetningsprocesser som sandblästring, slipning och vattenskärning på grund av sin hårdhet och hållbarhet. I lapidararbeten används ofta kiselkarbid på grund av dess långa livslängd och slitstyrka; dessutom är det ett utmärkt materialval på grund av lapidararbetets livslängd och dimensionsstabilitet. I tillverkningsapplikationer fungerar det dessutom som ugnsfodermaterial och används i olika metallurgiska eller eldfasta applikationer på grund av dess extrema slitstarka egenskaper.

Korrosionsbeständighet är en nyckelfaktor som avgör hur snabbt material bryts ned i olika miljöer. Att välja ett oorganiskt beläggningsmaterial med hög smältpunkt, goda mekaniska egenskaper och förmåga att tåla extrema temperaturer är därför av största vikt när man ska skydda produkter mot nedbrytning och kontaminering. Kiselkarbid har dessa egenskaper och är därför ett perfekt alternativ när man väljer beläggningsmaterial.

Dagens processer för att producera kiselkarbid för användning i slipmedel, metallurgiska och eldfasta applikationer omfattar två produktionsmetoder - reaktionsbunden kiselkarbid (RSiC) och sintrad kiselkarbid (SSiC). Reaktionsbunden kiselkarbid skapas genom att blandningar av SiC-kristalliter infiltreras med bindemedel under temperatur och tryck; sintrad kiselkarbid kan produceras med rent SiC-pulver som sintras med hjälp av icke-oxidiska sintringshjälpmedel - båda metoderna ger produkter med utmärkt korrosionsbeständighet samt extrem hårdhet/brottsbeständighet, vilket resulterar i utmärkta mekaniska egenskaper.