Silisyum Karbür Özellikleri ve Uygulamaları

Kısaltması SiC olarak bilinen silikon karbür, günümüzde piyasada bulunan en sert sentetik malzemelerden biridir ve sertliği nedeniyle kesici aletlerde, ayrıca yüksek ısıya ve termal şoka karşı direnci nedeniyle ateş sabit malzemelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca elektronik uygulamalarında korozyon önleyici kaplama malzemesi olarak da yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.

SiC, geniş bant aralığına sahip yarı iletken özelliklere sahip, son derece dayanıklı altıgen bir kimyasal bileşiktir. Bu özellik, SiC’nin daha yüksek elektrik alanlarına dayanmasını ve aynı zamanda daha yüksek hızlarda çalışmasını sağlar.

İletkenlik

Saf haliyle silikon karbür, elektrik yalıtkanı gibi davranır; ancak, safsızlıklar veya katkılar eklenmesiyle (katkılar, malzemenin elektrik iletkenliğini değiştiren maddeler eklemek için kullanılır), davranışında bir değişiklik meydana gelir ve önce yarı iletken hale gelir, ardından tekrar yarı iletken hale döner. Sırasıyla alüminyum, bor, galyum veya azot/fosfor gibi elementlerle doping yapıldığında (sırasıyla p-tipi veya n-tipi yarı iletken).

Silikon karbürün kristal yapısı, birbirine bağlanmış dört silikon ve dört karbon atomundan oluşan iki ana koordinasyon tetrahedrinden oluşur; bu yapı, yüzeylerinden protonları, elektronları ve nötronları iten güçlü elektrostatik etkileşimler yaratır – dolayısıyla bu madde, asitler gibi birçok kimyasal maddenin neden olduğu korozyona karşı dirençli hale gelir.

Yük taşıyıcılarını itmesi, malzemenin ısı iletkenliğini de artırır; bu da malzemeyi ısıya son derece dayanıklı hale getirir ve daha yüksek sıcaklıklarda çalışmaya uygun kılar. Yük taşıyıcılarına karşı bu kadar etkili bir direnç gösterdiği için seramik, mermilerin sert seramik blok yapısını delemediği kurşun geçirmez yeleklerde bile kullanılabilir.

SiC, standart silikon yarı iletkenlere kıyasla daha geniş bir bant aralığına sahiptir; bu da, daha yüksek gerilim ve frekanslara uyum sağlarken daha büyük güç yüklerini idare edebileceği anlamına gelir. Bu özellik, elektrikli araçlar ve uzay araçlarının güç elektroniği bileşenleri gibi, daha yüksek gerilim ve frekanslarda daha fazla gücü idare etmesi gereken elektronik cihazlar için büyük önem taşımaktadır.

Dayanıklılık

Silikon karbürün dayanıklılığı, sertliği ve korozyon direnci, onu pompalar, rulmanlar, vanalar, kum püskürtme enjektörleri veya ekstrüzyon kalıpları gibi yüksek performanslı mühendislik uygulamaları için mükemmel bir malzeme haline getirir. Ayrıca, mukavemeti, kimyasal inertliği ve düşük ısıl genleşmesi, onu aşırı ve yüksek sıcaklıklı mühendislik uygulamaları için uygun kılar.

Daha çok “karborundum” olarak bilinen silikon karbür, silikon ve karbonun birleşmesiyle altıgen yapılı dayanıklı bir seramik oluşturur. Geniş bant aralığına sahip yarı iletken özellikleri sayesinde silikon karbür, silikondan 10 kat daha yüksek gerilimlere dayanabilir.

SiC, ilk kez 1893 yılında Arizona’daki Canyon Diablo meteor kraterinde keşfedilen moissanitte doğal olarak bulunur. Ancak bu malzeme, daha çok mücevher ve aşındırıcı sınıflarında sentetik olarak üretilir; bu üretim genellikle 1700-2500 °C arasındaki sıcaklıklarda çalışan elektrik dirençli fırınlarda gerçekleştirilir.

Belçika’nın Liege kentinde bulunan Elkem Processing Services (EPS), reaktif sinterleme yöntemini kullanarak dünya çapındaki müşterilerin tam teknik özelliklerine uygun silikon karbür üretmektedir. Bu tesis, büyük miktarlarda SiC’yi hızlı bir şekilde üretmenin yanı sıra, diğer kullanım amaçlarına özel olarak tasarlanmış özel karışımlar hazırlamak için en son teknolojik imkânlara sahiptir.

Korozyon Direnci

Silikon karbür, son derece sert ve aşınmaya dayanıklı bir malzemedir. Yüksek sıcaklıklarda mukavemetini koruduğu için, yüksek termal şok direnci gerektiren uygulamalar için uygundur. Ayrıca, korozyon direnci sayesinde çoğu asit, alkali ve erimiş tuz çözeltileri için de uygundur.

Amerikalı mucit Edward Acheson, 1891 yılında yapay elmas üretmenin yollarını ararken silikon karbürü keşfetti. Bunu gerçekleştirmek için, sıradan bir karbon ark lambası ve buji kullanarak toz kok ile karıştırılmış kili ısıttı ve elmasın sertliğine yakın, parlak yeşil kristaller elde etti; bu kristaller daha sonra karborundum (SiC) olarak tanındı.

Aşındırıcı, metalurji ve refrakter endüstrilerinde kullanılan modern üretim yöntemleri, Acheson tarafından geliştirilenlerle benzer süreçlere dayanmaktadır. Saf silika kumu ve kok kömürü formunda ince öğütülmüş karbon gibi hammaddeler, içinden elektrik akımı geçirilen tuğla elektrik dirençli bir fırının içindeki bir karbon iletkeninin etrafına yerleştirilir; bu, kok kömüründeki karbon ile kumdaki silikon arasında kimyasal reaksiyona neden olarak SiC'nin oluşmasını sağlar.

Silikon karbür, birçok arzu edilen özelliğe sahiptir ve metal matrisli kompozitler (MMC’ler) oluşturmak üzere sıklıkla diğer metallerle birleştirilir. MMC’ler, SiC’nin mukavemetini ve dayanıklılığını diğer metallerin iletkenliği ile birleştirir. Ayrıca, MMC’ler erozyon-korozyona ve oksit parçalanma hasarına karşı son derece dayanıklıdır.

Güç

Genellikle “karborundum” olarak anılan silikon karbür, 9 gibi inanılmaz bir Mohs sertlik derecesine sahiptir; bu da onu elmas ve bor karbürden daha sert kılar. Mukavemeti ve dayanıklılığı sayesinde silikon karbür, aşındırıcı maddelerden kurşun geçirmez yeleklere kadar uzanan uygulamalar için mükemmel bir malzeme seçeneğidir; çok yüksek sıcaklıklarda bile sertliğini korurken üstün aşınma direncine sahiptir; aslında silikon karbür, en sert ileri seramiklerden biri olarak öne çıkmaktadır.

Silikon karbür bir yarı iletken malzemedir; bu, elektrik akımlarının veya elektromanyetik alanların iletkenliğini değiştirebileceği anlamına gelir. Bu özelliği sayesinde, bir elektrik devresinde sinyalleri güçlendiren, anahtarlayan veya dönüştüren elektronik cihazlarda kullanışlıdır. Silikon karbür yarı iletkenler, silikon muadillerine kıyasla daha yüksek elektron hareketliliğine ve daha düşük güç kaybına sahiptir; bu da onları yüksek hızlı transistörler, diyotlar ve FET'ler için ideal hale getirir.

Aşındırıcılar, metalurji ve refrakter endüstrilerinde kullanılmak üzere yapılan modern silikon karbür üretimi, Acheson yöntemine benzemektedir: Saf silis kumu ile ince öğütülmüş kok kömürü karbonunun karışımı, bir elektrikli fırının karbon iletkeninin etrafına yerleştirilir; elektrik bu iletkenden geçerek silikon ve karbon arasında kimyasal reaksiyonu tetikler ve bu reaksiyon sonucunda hem silikon karbür hem de karbon monoksit gazı üretilir; son olarak, granül halindeki silikon karbür, özel ekipmanlar kullanılarak istenen boyut ve yoğunluğa getirilene kadar öğütülür.