Структура на силициевия карбид

Силициевият карбид е един от най-твърдите синтетични материали, отстъпващ само на диаманта. Благодарение на невероятната си твърдост силициевият карбид служи за основа на износоустойчиви керамични компоненти, използвани в автомобилните спирачки и съединители, както и в бронежилетките.

Едуард Ачесън за първи път синтезира изкуствен графен през 1891 г., като използва въглерод и кварцов пясък, комбинирани в електрическа пещ за графит. Естествени екземпляри могат да бъдат открити и в метеорита Canyon Diablo като прозрачни минерали моисанит.

Тетраедрично свързване

Силициевият карбид (SiC), за първи път изкуствено синтезиран през 1891 г. от Едуард Ачесън от Пенсилвания, отдавна се използва като промишлен абразив и структурен керамичен материал. SiC се е доказал като особено популярно антиабразивно съединение с отлична износоустойчивост; поради това той намира широко приложение както като промишлен абразив, така и в структурните керамични приложения. Плътно подредените ковалентно свързани атоми на SiC създават много силни ковалентни връзки (енергия на връзката = 4,6eV), което осигурява приложения особено в сурови среди; освен това тези ковалентни връзки образуват силни тетраедрични връзки чрез споделяне на електронни двойки от sp3 хибридни орбитали; тези силни връзки между ъглите му образуват полярни образувания в структурата му, които правят този материал.

Силициевият карбид приема много различни форми, известни като политипове. Всяка от тях има уникален химичен състав и формира тетраедрични връзки между силициевите и въглеродните атоми, което придава на материала уникални свойства.

Основната микроструктура на силициевия карбид се променя с намаляването на температурата по време на втвърдяването. При по-високи температури тетраедричната му sp3 структура се променя в планарна sp2, което се дължи на по-късите дължини на връзките Si-C, отколкото на разстоянието C-Si в обема на SiC.

Политипи

Силициевият карбид съдържа политипове - кристални структури, които се появяват в различни пропорции при растежа на материала - които имат различни свойства, които могат да променят работата на електронните устройства. Често срещаните политипове на SiC включват 4H и 6H, които имат многобройни приложения в различни области, като например полупроводникови устройства.

Съществуват схеми на записване за описание на кристалната структура на политипите, като една от тях е записът на Рамсдел, който я идентифицира чрез повторение на слоевете и кристална симетрия - това дава възможност за компактни, но информативни описания, без да се разкриват вътрешните й атомни структури. Друга забележителна система за записване е символната нотация на Zihl-Nelson, която идентифицира съставящите я политипове въз основа на последователността на подреждане.

Силициевият карбид съдържа многобройни политипове, от които само четири хексагонални и шест ромбоедрични представляват интерес за технологични приложения (двуслойната периодичност ABAB с хексагонална симетрия характеризира 2H-SiC; други некубични политипове могат да бъдат обозначени с означенията H, докато тези със смесена кубична и ромбоедрична симетрия могат да използват вместо това букви и цифри, като например 15R-SiC).

Кристалографска структура

Силициевият карбид кристализира в интензивно затворена структура, като всеки слой е ковалентно свързан със съседните, създавайки сложна тетраедрична мрежа, варираща от вурцит (wurtz) до цинк-бленда (4H-SiC). Всеки политип може да бъде идентифициран по специфичната последователност на подреждане на Si и C атомите - тъй като страничните транслации и ротации не биха били енергийно осъществими, слоевете се дезорганизират с течение на времето и водят до различни структури.

Кристалографските структури могат да бъдат описани чрез тяхната симетрия, определена от разположението на атомите и дължината, ширината и ъглите на главните оси на единичната клетка. Атомите във всяка единична клетка са подредени в съответствие с химичните и геометричните свойства - по-специално за политипите на силиций и въглерод, като политипа 4H-SiC, подредбата им има висока симетрия.

Висококристалната структура на силициевия карбид го прави изключително устойчив на химическо въздействие, което го прави подходящ за приложения в силовата електроника, при които трябва да се поддържат високи температури. Понастоящем SiC се радва на безпрецедентен ръст на популярност в силовата електроника поради изключителните си физични и електронни свойства - устойчивостта му на високи температури го прави особено полезен като алтернативен материал за полупроводници и оксидна керамика, които често не са устойчиви на високи температури. Предлага се с различни полиморфни кристални структури (4H-SiC е особено подходящ за приложения с висока мощност).

Имоти

Силициевият карбид, наричан още "карборунд", е изключително твърд и крехък материал с многобройни възможности за използване. Често срещани примери са абразиви и режещи инструменти; структурни материали (бронежилетки и композитни брони); автомобилни спирачни дискове; мълниеприемници; мълниеприемници в телескопи; както и материал за огледала, използван като огледален материал. С високата си точка на топене, ниска плътност и температурни свойства на сублимация той е отличен избор за много високотемпературни операции, като например автомобилни спирачни дискове или огледален материал, използван като огледален материал в телескопи.

Силицият и въглеродът в силициевия карбид са свързани чрез ковалентни връзки. Електронните им двойки се намират в sp3 хибридни орбитали и образуват изключително здрави тетраедрични ковалентни връзки, които придават на силициевия карбид неговите уникални и желани свойства.

Силициевият карбид се различава от силиция по това, че лентовата му празнина е по-широка, което му позволява да издържа на по-високи електрически полета и да работи с по-високи скорости. По този начин електрическите му свойства го правят незаменим компонент за устройствата на силовата електроника в сурови условия, особено за системите за преобразуване на енергия.

Високата температура на топене, ниската плътност, високата температура на сублимация и отличната топлопроводимост - всичко това прави въглеродните влакна безценно допълнение в много различни приложения. То е изключително устойчиво на корозия, а химическата му стабилност му позволява да издържа на високи температури при продължителна употреба; освен това превъзходната му топлинна ефективност бързо и ефикасно разсейва топлината от триене.