Formel för kiselkarbid

Kiselkarbid, mer känt under namnet karborundum, är en hård och hållfast icke-oxidbaserad keramik med unika fysikaliska egenskaper som ofta används i slipmedel och inom metallurgin.

SiC tillverkas inledningsvis med hjälp av Acheson-processen; idag massproduceras det i en elektrisk motståndsugn genom att man blandar ren kvartssand med finmald koks, vilket ger gulgröna till blåsvarta kristaller med en iögonfallande iriserande glans.

Fysiska egenskaper

Kiselkarbid (SiC) är en extremt hård, kristallin förening av kisel och kol, känd under namnet moissanit, som först upptäcktes i naturligt tillstånd (i Canyon Diablo-meteoriten i Arizona) av den Nobelprisbelönade kemisten Henri Moissan år 1893, som en del av hans forskning om naturliga material.

Kiselkarbid har en skiktad kristallstruktur och förekommer i olika polytyper med specifika staplingsmönster av kisel- och kolatomer, ett mönster som kallas 3C-SiC; det finns dock över 100 andra strukturer med liknande kemiska och fysikaliska egenskaper.

Kiselkarbid kan omvandlas till keramiska material genom sintring (där partiklarna binds samman vid höga temperaturer) med hjälp av olika metoder. En populär process för detta är reaktionsbundet SiC, även känt som Hexoloy(r), där reaktionsbundet SiC-pulver blandas med poröst kolmaterial och bearbetas genom additiv tillverkning, gjutning eller strängsprutning för att producera ett fullständigt förtätat keramiskt material med exceptionella kemiska och mekaniska egenskaper som fungerar vid extrema användningstemperaturer.

Kemiska egenskaper

Kiselkarbid har många fördelaktiga egenskaper som gör det till ett värdefullt industriellt material. Det är kemiskt inert och korrosionsbeständigt. Dessutom är kiselkarbid ett utmärkt slipmedel som har fått stor spridning inom modern ädelstensbearbetning tack vare sin hållbarhet och sin hårdhet på 10,5 enligt Mohs-skalan.

Detta kristallina material kan dopas för att framställa både n-typ- och p-typ-halvledare, där kvävedopning ger den förstnämnda typen och gallium-, aluminium- eller bordopning ger den sistnämnda. Det tål höga temperaturer och reagerar inte med alkalier eller de flesta organiska ämnen, med undantag för fluorvätesyra.

Kiselkarbidens enastående hållbarhet har lett till att materialet används inom en rad olika tillämpningar, från keramiska bromsskivor till sportbilar och skottsäkra västar till tätningar för pumpaxlar – tack vare dess höga värmeledningsförmåga och förmåga att avleda friktionsvärme innan den överförs till stålets lagerytor. Dessutom innebär dess komplexa kemiska sammansättning att det finns flera former eller polytyper med olika kristallstrukturer och bindningsmönster inom dess kemiska sammansättning.

Elektriska egenskaper

Kiselkarbid har på senare år fått förnyad uppmärksamhet tack vare sina enastående mekaniska egenskaper, såsom hög hårdhet och kemisk tröghet, men materialet har även användbara elektriska egenskaper. Tack vare sin kristallstruktur gör kiselkarbid det möjligt att genom dopning införa föroreningar, så kallade dopämnen, för att skapa fler fria laddningsbärare, såsom elektroner och hål, i materialet, vilket ökar ledningsförmågan.

Kiselkarbidens unika atomstruktur ger materialet en relativt hög värmeledningsförmåga tack vare den täta packningen av dess atomer med stora radier och den därav följande fononiska ledningen; detta ger kiselkarbid en fördel jämfört med andra konstruktionskeramer, såsom aluminiumnitrid och berylliumoxid, som har lägre värmeledningsförmåga på grund av sina större atomradier.

Kiselkarbid förekommer naturligt i små mängder som det kristallina mineralet moissanit; dock framställs det mesta av den kiselkarbid som används kommersiellt syntetiskt för att användas som slipmedel eller avancerat eldfast material genom att man antänder en blandning av kvartssand och kol i en elektrisk motståndsugn av tegel.

Mekaniska egenskaper

Kiselkarbid (SiC) är ett extremt hårt keramiskt material med en hårdhet på 9 enligt Mohs-skalan. Det förekommer vanligtvis som iriserande kristaller i färgerna gult, grönt till blåsvart som sublimerar vid 2700 °C innan de sönderdelas i vatten eller i kombination med alkalier och järn vid högre temperaturer, och uppvisar utmärkt korrosionsbeständighet och hållfasthet vid temperaturer upp till 1600 °C, där textur, kornstorlek, stapelfel, föroreningar eller stapelfel spelar en underordnad roll för de mekaniska egenskaperna.

Framställs industriellt genom Acheson-processen, som innebär att kiseldioxid blandas med kol i en elektrisk ugn vid höga temperaturer enligt Acheson-metoden, eller förekommer naturligt som moissanit, som först upptäcktes i meteoritkratern Canyon Diablo i Arizona år 1893. Moissanit har länge ansetts vara ett viktigt material inom avancerad funktionell keramik, slipmedel och metallurgiska råvaror tack vare sin utmärkta värmeledningsförmåga och minimala värmeutvidgning samt sin exceptionella kemiska stabilitet; det är resistent mot de flesta organiska och oorganiska syror samt salter, men inte mot fluorvätesyra eller sura fluorider.