Silisyum Karbürün Yoğunluğu

Silikon karbür (SiC), asitlere ve erimiş tuzlara karşı üstün direnç, düşük termal genleşme ve aşınma direnci özelliklerine sahip, en hafif, en sert ve en dayanıklı ileri seramik malzemelerden biridir. Ayrıca, mukavemeti ve sertliği sayesinde, püskürtme nozullarında veya bir uygulamanın diğer bileşenlerinde meydana gelen erozyon veya aşınma gibi fiziksel yıpranmalara karşı dayanıklılık gösterir.

Acheson, 1891 yılında reaksiyonla birleştirme veya sinterleme yöntemleri yoluyla SiC’nin ticari üretimine öncülük etti.

Yoğunluk

Silikon karbür (SiC), silikon ve karbondan oluşan inorganik bir kimyasal bileşiktir. Doğada nadir bir mineral olan moissanit olarak bulunan SiC, 1893 yılından beri toz veya tek kristal halinde seri olarak üretilmekte ve aşındırıcı olarak kullanılmaktadır. Ayrıca, kurşun geçirmez yeleklerde kullanılan SiC seramik plakalar bu malzemeyi içerir; SiC, yarı iletken olarak üretildiğinde parlak kırmızı LED ışıkları oluşturur ve yeşilimsi mavi ışığı sayesinde iyi bir aşındırıcı yüzey malzemesi olarak da kullanılır.

Silikon karbür, 3,21 g cm⁻³ gibi olağanüstü yüksek bir yoğunluğa sahiptir; bu da onu Dünya üzerindeki en yoğun bileşiklerden biri yapar. Suda çözünmemesine rağmen, NaOH ve KOH gibi alkalilerle ve hatta 2700 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda erimiş demirle çözünebilir. Ayrıca, silikon karbür hava veya suyla hızlı bir şekilde reaksiyona girmez, ancak daha yüksek sıcaklıklarda kimyasal reaksiyonlara girebilir ve bu reaksiyonlar sonucunda yan ürün olarak amorf silikon dioksit ve metan oluşur.

Silikon karbür, üstün aşınma direnci, düşük termal genleşme ve yüksek sertlik özellikleri sayesinde uzay teleskopları için mükemmel bir malzeme seçeneğidir. Düşük genleşme özelliği sayesinde teleskop aynaları, soğutma sırasında eğrilme veya erime olmadan soğutulabilir; hem Herschel hem de Gaia teleskoplarında silikon karbür aynalar kullanılmıştır.

Silikon karbür, aşırı sıcaklıklara karşı dayanıklılığı nedeniyle refrakter malzemeler için hammadde olarak da kullanılabilir. Bu nedenle, çeşitli endüstrilerdeki fırın ve ocaklarda yalıtım kaplaması olarak kullanılması, bu malzemeyi söz konusu kaplamaların vazgeçilmez bir parçası haline getirir. Ayrıca, silikon karbür cam ve seramik malzemelerin üretiminde önemli bir rol oynar.

Dünya çapında silikon karbür talebi, özellikle Asya-Pasifik bölgesinde hızla artmaktadır. Bu bölgedeki hızlı büyüme, elektrikli araç satışlarındaki artışa ve şarj altyapısı yatırımlarına bağlanabilir; ayrıca, yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelik artan ilgi de bu bölgede silikon karbür talebini artıracaktır.

İsviçre merkezli STMicroelectronics N.V., Almanya merkezli Infineon Technologies AG, ABD merkezli Semiconductor Components Industries LLC, ABD merkezli WOLFSPEED INC ve Japonya merkezli ROHM Co Ltd, küresel silikon karbür pazarındaki varlıklarını aktif olarak genişleten piyasa oyuncuları arasında yer almaktadır. Bu amaçla söz konusu şirketler, bu küresel sektördeki konumlarını güçlendirmek için ürün lansmanları, anlaşmalar, ortaklıklar, işbirliği sözleşmeleri, satın almalar veya genişlemeler gibi hem organik hem de inorganik büyüme stratejileri uygulamaya koymuşlardır.

Young Modülü

Silikon karbür, dünyadaki en sert seramik malzemelerden biridir; korozyona, aşınmaya ve erozyona karşı son derece dayanıklı olmasının yanı sıra yüksek sıcaklıklara ve kimyasal ortamlara da dayanabilir. Bu özellikleri sayesinde silikon karbür, mükemmel yorulma mukavemeti ve boyutsal kararlılık özelliklerine sahip mükemmel bir yapı malzemesidir.

Young modülü, numunelerin elastik özelliklerini ölçen ve yük altında sapmaya neden olmak için ne kadar kuvvet gerektiğini sayısal olarak belirleyen bir malzeme özelliğidir. Young modülünü hesaplamak için çekme testi kullanılabilir; bu testin eğimi ise eğilme gerilimi hesaplamaları hakkında bilgi sağlar ve mühendislerin yeni malzemelerin belirli uygulama kriterlerini karşılayıp karşılamayacağını değerlendirmelerine olanak tanır.

Bu araştırma, Cambridge seri toplam enerji paketi (CASTEP) içinde uygulanan yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT)38 kullanılarak yapılan ilk ilkeler hesaplamaları yoluyla b-Si1-xC’nin kararlılık, mekanik ve termodinamik özelliklerini incelemektedir. İyonlar ve elektronlar arasındaki etkileşim, düzlem genişletilmiş dalga psödopotansiyel yöntemi ile temsil edilmektedir; atomlar arasındaki değişim ve korelasyon fonksiyonları, ya yerel yoğunluk yaklaşımları ya da genelleştirilmiş gradyan yaklaşımları ile tanımlanabilir; buna karşılık, doping miktarı arttıkça, b-Si1-xC’de olduğu gibi yoğunluk, molar hacim ve Young modülü özellikleri de artmaktadır.

Başka bir çalışmada, PECVD yöntemi kullanılarak 100 nm ve 300 nm kalınlığında a-SiC filmler üretilmiş ve bu filmlerin özellikleri elipsometri, AFM ve XRR yöntemleriyle incelenmiştir. Isıl iletkenlik ve Young modülü önemli bir ölçek etkisi göstermezken, bu ince filmlerin kütle yoğunluğu, mikro yapılar içindeki bağ yoğunluğunun azalması nedeniyle kütle SiC'ninkinden önemli ölçüde daha düşüktü. Son olarak, bu filmlerde yüksek Young modülü ve kararlılık gibi mekanik özellikler gözlemlenmiştir.

Malzemelerin gözenekliliği, Poisson oranı aracılığıyla doğrudan Young modülüne bağlanabilir; zira Poisson oranı, yoğunluk azaldıkça azalır. Bu ilişki kullanılarak, dinamik Young modülü ses logaritması vasıtasıyla hesaplanabilir. Formül olarak:

Termal İletkenlik

Silikon karbür (SiC), mükemmel ısı iletkenliği ve düşük ısıl genleşme katsayısı ile dikkat çeken bir yarı iletken malzemedir; bu özellikleri sayesinde birçok ısı üretimi veya ısı transferi uygulamasında kullanılmaya uygundur. SiC, hafifliği ve sağlamlığı nedeniyle astronomik teleskopların aynalarında kullanılır; ayrıca, yüksek sıcaklık direnci ve ısı iletkenliği, çalışma sırasında meydana gelebilecek bozulma veya aşınmayı azaltmaya yardımcı olur.

SiC’deki ısı iletkenliği, bileşimi ve yapısı tarafından belirlenir; stökiometrik çeşitler, titreşen kristallerden kaynaklanan ısı enerjisinin ana kaynağı olan fononlara kıyasla serbest elektronların kafes titreşimi üzerindeki etkisinin çok daha az olması nedeniyle, stökiometrik olmayan çeşitlere göre daha yüksek ısı iletkenliğine sahiptir. Stokiometrik olmayan çeşitlerde, az miktarda Si veya C ilavesiyle termal iletkenlik artabilir; ancak, termal enerjiyi üreten fononlara kıyasla serbest elektronların kafes titreşimi üzerindeki etkisi çok daha az olduğu için, bu çeşitlerin genel termal iletkenliği yine de saf SiC'ninkinin gerisinde kalır.

SiC’nin iki ana polimorfu bulunmaktadır: Wurtzit kristal yapısına sahip alfa silikon karbür (a-SiC) ve çinko blende kristal yapısına sahip beta silikon karbür (b-SiC). A-SiC, geniş ticari uygulamalara sahip olan ve daha yaygın olan çeşittir; buna karşılık beta silikon karbürde ise bugüne kadar ticari faaliyetler daha sınırlı kalmıştır.

Son zamanlarda yapılan bir araştırmada, b-SiC’nin faz bileşimi ve mikroyapısının termal iletkenliği üzerindeki etkisi incelenmiştir. Malzeme, Y₂O₃ ve Al₂O₃'ü sinterleme yardımcı maddeleri olarak kullanan sıvı faz kıvılcım plazma sinterleme yöntemi ile üretilmiştir; ardından yapılan termal iletkenlik ölçümleri, ana malzeme olan b-SiC'nin ölçümleriyle karşılaştırılmış ve sonuçlar, bu malzemenin sinterleme karışımının faz bileşimi ve mikroyapısı ile korelasyonunu ortaya koymuştur.

Saf kütle alüminyumun (Al) ısı iletkenliği 237 W/mK’dir, ancak ince filmlerde bu değer genellikle çok daha düşüktür. Bir termal analiz ve ultrasonik tepki ölçüm tekniği kullanılarak a-SiC'den yapılmış ince filmler analiz edildi ve benzer sonuçlar elde edildi – kAl = 210 + 10 W/mK; bu değer, literatürde kütle a-SiC ile ilgili olarak bildirilen değerlerle uyumludur.

Korozyon Direnci

Silikon karbürün asidik veya alkali ortamlardaki korozyon direnci olağanüstüdür; bu da onu, metal gibi diğer malzemelerin hızla bozulacağı birçok zorlu uygulama için ideal bir malzeme haline getirir. Silikon karbür ayrıca, zorlu kimyasal ortamlarda çalışması gereken mekanik contalar için de mükemmel bir malzeme seçeneğidir.

Silikon karbürün korozyon direnci, kısmen kendine özgü yapısına atfedilebilir. Silikon karbür, köşelerinden birbirine bağlanan dört karbon ve dört silikon atomundan oluşan birincil koordinasyon tetrahedralarını oluşturan kovalent bağlı atomlardan oluşan, birbirine kenetlenmiş, sıkı paketlenmiş bir düzen içinde kristalleşir; bu tür bir düzen ve yapı, silikon karbürün yüksek ısı iletkenliğinin de nedenidir.

En saf haliyle silikon karbür bir elektrik yalıtkanıdır; ancak, “katkı maddeleri” olarak bilinen safsızlıkların dikkatli bir şekilde eklenmesiyle elektriksel bir yarı iletken haline gelebilir. P tipi yarı iletken kullanımı için silikon karbürün alüminyum, bor ve galyum dopantlarıyla doplanmasıyla; azot ve fosfor dopantları ise belirli amaçlara yönelik N tipi yarı iletken cihazlar üretir.

Silikon karbür, sertliği ve dayanıklılığı nedeniyle kum püskürtme, taşlama ve su jeti kesimi gibi aşındırıcı işleme süreçlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Taş işleme alanında, uzun ömrü ve aşınma direnci özellikleri nedeniyle sıklıkla silikon karbür kullanılır; ayrıca, taş işleme uygulamalarının uzun ömürlülüğü ve boyutsal kararlılığı nedeniyle de mükemmel bir malzeme seçeneği olarak hizmet eder. Ayrıca, imalat uygulamalarında fırın astar malzemesi olarak kullanılır ve aşırı aşınma direnci özellikleri nedeniyle çeşitli metalurjik veya refrakter uygulamalarda da kullanılır.

Korozyon direnci, malzemelerin ortamlarda ne kadar hızlı bozulduğunu belirleyen temel bir faktördür. Bu nedenle, ürünleri bozulmaya ve kirlenmeye karşı korurken, yüksek erime noktasına, iyi mekanik özelliklere ve aşırı sıcaklıklara dayanma kabiliyetine sahip bir inorganik kaplama malzemesi seçmek hayati önem taşır. Silikon karbür bu özellikleri sunar ve bu nedenle kaplama malzemesi seçimi konusunda ideal bir seçenektir.

Aşındırıcılar, metalurji ve refrakter uygulamalarında kullanılan silikon karbürün günümüzdeki üretim süreçleri, iki üretim yöntemini içermektedir: reaksiyonla bağlanmış silikon karbür (RSiC) ve sinterlenmiş silikon karbür (SSiC). Reaksiyonla bağlanmış silikon karbür, SiC kristalitlerinin bağlayıcı ile karışımının belirli sıcaklık ve basınç koşulları altında sızdırılmasıyla elde edilir; Sinterlenmiş silikon karbür ise oksit içermeyen sinterleme yardımcı maddeleri kullanılarak sinterlenmiş saf SiC tozu kullanılarak üretilebilir – her iki yöntem de mükemmel korozyon direncine ve olağanüstü sertlik/kırılma direncine sahip ürünler ortaya çıkarır, bu da üstün mekanik özellikler sağlar.