Kiselkarbid Definition

Kiselkarbid (SiC) är ett oorganiskt keramiskt material som ofta används i mekaniskt och termiskt krävande applikationer och som i fråga om hårdhet endast överträffas av borkarbid och diamant.

Karborundum upptäcktes först av den amerikanske uppfinnaren Edward G. Acheson när han försökte framställa konstgjorda diamanter 1891 och har sedan dess blivit en oumbärlig komponent i skärverktyg och eldfasta beläggningar.

Hårdhet

Kiselkarbid har imponerande fysikaliska egenskaper, men missförstås och misstolkas ofta. Hårdhet förväxlas ofta med styrka; i själva verket avser det materialets motståndskraft mot deformation snarare än styvhet eller styvhet.

Hårdheten i material bestäms av dess mikrodurabilitet eller småskaliga skjuvmodul i alla riktningar, inte av dess styvhet eller Young's Modulus som beror på olika faktorer inklusive geometri och kemisk sammansättning; till exempel är kiselkarbid mycket hårdare än diamant men mindre styvt än till exempel osmium eller volfram.

Hårdare material tenderar att vara mer motståndskraftiga mot skador, men mindre flexibla eller elastiska än sina mjukare motsvarigheter - därför används seghet och hårdhet ibland synonymt.

Kiselkarbid har den högsta hårdheten av alla kristallina föreningar, men är inte riktigt lika hård som diamant. Kiselkarbid produceras industriellt för användning som slipmedel och i andra metallurgiska och eldfasta applikationer samt keramikproduktion, och kan också hittas som syntetiska moissanite smycken alternativ till naturliga ädelstenar.

Kompositer som innehåller kiselkarbid får en ökning av hårdheten som är proportionell mot SiC-viktprocenten, eftersom SiC är inbäddat i matrisen och är mer motståndskraftigt mot skador och skjuvkrafter.

Termisk konduktivitet

Kiselkarbid har hög värmeledningsförmåga, vilket innebär att det lätt överför värme. Detta sker genom molekylär vibration och kontakt mellan molekyler i materialet; temperaturgradienter över dess tjocklek spelar en viktig roll i denna överföring, liksom densitet och kristallstruktur hos dess beståndsdelar.

Värmeledningsförmågan är en viktig egenskap vid tillverkning av avancerade keramer, t.ex. de som används i bromsar och kopplingar i bilar, eftersom dessa material kan arbeta vid högre temperaturer utan att förlora sina mekaniska egenskaper. Keramik används också ofta som material i skottsäkra västar eftersom dess styrka klarar extremt höga krafter utan att gå sönder.

SiC:s höga ledningsförmåga gör att halvledare tillverkade av SiC kan arbeta vid mycket högre frekvenser och temperaturer än kiselbaserade transistorer och dioder, vilket minskar effektförlusterna och ökar tillförlitligheten.

Kiselkarbidens kemiska sammansättning gör det också till ett mycket stabilt material som motstår korrosion, vilket gör det till en av de mest hållbara industriella och metallurgiska keramerna som finns idag. Det har utmärkt motståndskraft mot kemikalier som saltsyra, svavelsyra och fluorvätesyra samt koncentrerade baser som natriumhydroxid. Dessutom kan kiselkarbid smältas vid höga temperaturer för att bilda starka bindningar med glas eller andra ömtåliga material som keramik.

Elektrisk konduktivitet

SiC:s elektriska ledningsförmåga gör det till ett ovärderligt material i kraftapplikationer, särskilt sådana som involverar stora mängder ström. Tack vare sina imponerande elektriska egenskaper har SiC seglat upp som ett alternativ till kiselhalvledare för krävande användningsområden som kraftelektronik i elbilar och instrumentering i sonder på Mars eller Venus (Mantooth, Zetterling & Rusu).

SiC:s höga elektriska ledningsförmåga kan hänföras till dess breda bandgap. Gapet mellan valens- och ledningsbanden avgör om ett material är antingen ledande eller isolerande; med ett expansivt gap kan elektroner röra sig fritt från valensband till ledningsband medan det krävs oöverkomligt stora mängder energi för att korsa detta gap för en isolator.

Kemisk ånginfiltration (CVI) eller polymerimpregnering-pyrolys (PIP) av n-typ SiC i dess matris ökar den elektriska ledningsförmågan med två till tre storleksordningar vid förhöjda temperaturer, på grund av bildning av kristaller med lägre bandgap än orörd kiselkarbid. Denna ökning kan tillskrivas bildandet av nya kristaller av SiC med högre elektrisk ledningsförmåga.

Si-SiC-materialet har en elektrisk ledningsförmåga på mellan 105 och 107 Ohm*cm på grund av sin låga värmeutvidgning och elektriska ledningsförmåga på 105-107 Ohm*cm per kvadratcentimeter, vilket gör det lämpligt för tillämpningar som kräver höga strömmar, temperaturer, erosionsbeständighet och korrosionsskydd. Med dessa egenskaper i kombination framstår Si-SiC som en idealisk kandidat.

Kemisk sammansättning

Kiselkarbid består av kol- och kiselatomer som är ordnade i fyrsidiga strukturer bundna av starka bindningar som utgör dess kristallstruktur. Dessa starka bindningar ger kiselkarbiden dess extremt hårda och sega yta som också är kemikaliebeständig; dess hållbarhet skyddar den också mot syraangrepp samt termisk chock vid upp till 1600degC. Dessutom gör dess utmärkta motståndskraft mot slagskador att den lämpar sig för applikationer där fysiskt slitage spelar en roll, t.ex. spraymunstycken, blästermunstycken eller cyklonkomponenter.

Keramiska nanopartiklar är ett av de lättaste, starkaste och hårdaste avancerade keramiska material som finns. Det har utmärkta elektriska egenskaper med utmärkt värmeledningsförmåga och låg termisk expansionskoefficient; dessutom motstår det höga temperaturer som ett halvledarmaterial.

Kiselkarbid är en halvledare med brett bandgap, vilket gör den lämplig för kraftelektronik. Spänningståligheten är 10 gånger högre än hos vanligt kisel och är bättre än hos galliumnitrid i system som arbetar i höga hastigheter eller temperaturer.

Syntetisk diamant framställs på syntetisk väg främst för användning som slipmedel, men kan även användas för andra ändamål, t.ex. inom stenhuggeri. På grund av sin långa hållbarhet och motståndskraft mot nötning används syntetisk diamant ofta av moderna lapidarier som en ingrediens på grund av sin hållbarhet och motståndskraft mot slitage och skador. Dessutom används syntetisk diamant som slipmedel i slipverktyg, bildelar och eldfasta material - och är dessutom hård, slitstark och användbar i kombination med material som stål och volframkarbid i bearbetningsapplikationer i kombination med andra hårda och slitstarka material som stål och volframkarbid för bättre resultat.