ما هو كربيد السيليكون؟

يوجد كربيد السيليكون، الذي يشار إليه بشكل أكثر شيوعًا باسم الكاربوروندوم، بشكل طبيعي كمعدن المويسانيت النادر وفي النيازك؛ ومع ذلك، فإن معظم كربيد السيليكون التجاري الذي يباع اليوم مصنوع صناعيًا.

البلاستيك المقوى بألياف الكربون (CFRP) هو مادة شديدة الصلابة مترابطة تساهميًا يتم إنتاجها من خلال الاختزال الكربوني الحراري لرمل السيليكا وفحم الكوك البترولي في فرن المقاومة الكهربائية، مما يجعلها مقاومة للتآكل والتآكل.

الديناميكا الحرارية

كربيد السيليكون (SiC) هو سيراميك الأنتيمون المعروف بصلابته وتوصيله الحراري العالي ومقاومته للتفاعل الكيميائي. بالإضافة إلى ذلك، يُظهر SiC معامل تمدد حراري منخفض مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب مقاومة ضد الحرارة أو الصدمات الحرارية.

SiC هو مادة نقية للغاية بمقياس صلابة 9 بمقياس موس، ويمكن إنشاؤه عن طريق تسخين خليط من الرمل والكربون في فرن من نوع المقاومة الكهربائية؛ وقد يشمل المزيد من التنقية إضافة مخدر الألومنيوم الذي ينتج عنه إما جهاز شبه موصل من النوع n أو النوع p.

يمكن أن تختلف درجة انصهار كربيد السيليكون اعتمادًا على بنيته البلورية متعددة الأشكال. يتوفر في أكثر من 70 شكلًا مختلفًا، بما في ذلك كربيد السيليكون ألفا (4H-SiC) بتركيبته البلورية السداسية التي تشبه Wurtzite باعتبارها الأكثر انتشارًا. كما يوجد كربيد السيليكون بيتا كربيد السيليكون بتركيب بلوري مكعب محوره الوجه يشبه الزنكبلند أو السفاليريت للاستخدام على نطاق واسع.

البنية البلورية

كربيد السيليكون هو مادة بلورية ذات أنواع متعددة أو متعدد الأنواع، ويتميز كل نوع منها بترتيب خاص به من الطبقات المرتبطة ببعضها البعض بواسطة ذرات السيليكون والكربون في تشكيلات رباعية الأوجه. ويمنحه تسلسل تكديس كل نوع متعدد الطبقات تركيبه البلوري الفريد.

يأتي كربيد السيليكون في نوعين رئيسيين هما كربيد السيليكون ألفا (a-SiC) وكربيد السيليكون بيتا (b-SiC). ومن بين هذين الشكلين، يُظهر كربيد السيليكون بيتا سي كربيد السيليكون تراكيب بلورية مكعبة محورها الوجه تذكرنا بالألماس أو الزنكبليند أو السفاليريت.

يتمتع سيراميك SiC الحراري بموصلية حرارية ممتازة بسبب أنصاف الأقطار الذرية المتساوية تقريبًا بين a-SiC وb-SiC، مما يوفر توصيلًا حراريًا جيدًا. علاوة على ذلك، تسمح هذه الخاصية للفونونات بالانتشار بحرية داخل تركيبته. تجتمع كل هذه الميزات مع نقطة الانصهار العالية ومعدل التمدد الحراري المنخفض لجعل كربيد السيليكون مادة جذابة للأفران ذات درجات الحرارة المرتفعة بالإضافة إلى توفير مقاومة التآكل وخصائص الصلابة التي تجعلها خياراً جذاباً للمواد.

التركيب الكيميائي

كربيد السيليكون هو مادة سيراميك غير أكسيدية ذات خمول كيميائي وخصائص ميكانيكية وفيزيائية ممتازة، بما في ذلك قوة عالية، وصلابة موس 9، ومعدلات تمدد حراري منخفضة، ومقاومة للتفاعل الكيميائي، وخصائص مقاومة زحف ممتازة ودرجات حرارة تصل إلى 1600 درجة مئوية دون البدء في التأكسد.

ويؤدي التصلب إلى تشكيل ذرات الكربون والسيليكون هياكل تناسق ثلاثية الأوجه، كما يتضح من توزيع عامل الشكل الذي يُظهر قمة واضحة عند 109 ديغ (زاوية رباعي الأوجه) بالإضافة إلى مناطق واسعة حول هذه القمة، مما يشير إلى وجود هياكل محلية مختلفة.

يمكن إنتاج SiC عن طريق صهر الطين ومسحوق الفحم معًا أو من خلال الاختزال المباشر في أفران كهربائية مع الكربون أو الهيدروجين. وقد أنتج إدوارد جودريتش أتشيسون لأول مرة سيكلوريد السيليكون على نطاق واسع باستخدام عملية حرارية كهربائية في عام 1891؛ ومنذ ذلك الحين، أصبحت هذه المادة المتينة تستخدم على نطاق واسع في أعمال التبطين والتبطين الكاشطة، فضلاً عن استخدامها في تطبيقات أخرى مثل الحراريات والمكونات الإلكترونية.

التطبيقات

يخدم كربيد السيليكون عددًا من التطبيقات المفيدة. وهو مادة كاشطة شائعة تستخدم في طحن وتلميع المعادن مثل النحاس والبرونز والصلب والرخام؛ وقطع السيراميك. وعلاوة على ذلك، فإن تصنيف مقياس موس 9 يعني أن له أوجه تشابه كبيرة مع صلابة الماس، فضلاً عن كونه شديد التحمل ومقاوم للتفاعل الكيميائي.

تُعد التوصيل الحراري والتمدد الحراري من الصفات الممتازة لنيتريد الألومنيوم، مما يجعله مثالياً للاستخدام كدرع باليستي. وعلاوة على ذلك، فإن خصائصه القوية والصلبة تجعله مناسباً لأنظمة الأسلحة الباليستية وكذلك محركات الصواريخ والقذائف.

مفاعل القاع الحصوي (PBR). وبالإضافة إلى ذلك، فإن مقاومة هذه المادة المتأصلة للأكسدة تجعلها مناسبة لإنتاج الطوب الحراري وتبطين المفاعلات النووية مثل مفاعلات القاع الحصوية. وعلاوةً على ذلك، فإن سيراميك الألومينا والزركونيا المصنوع من هذه المادة يستخدم أيضاً مفاعل بيبل بيد في منتجاتها؛ بالإضافة إلى أن صلابته وصلابته وتمدده الحراري المنخفض يجعله خياراً جذاباً لمادة مرآة للاستخدام مع التلسكوبات الفلكية.