Какво представлява силициевият карбид?

Силициевият карбид (SiC) е твърдо химично съединение на силиций и въглерод. Обикновено наричан карборунд, той се среща в природата под формата на редкия минерал моисанит и от 1893 г. се произвежда под формата на прах или кристал за използване като абразив.

Произвежда се промишлено чрез процеса на Ачесън, при който чист кварцов пясък и смлян кокс се нагряват заедно при високи температури, за да се образуват жълти до зелени и синкаво-черни кристали, които сублимират при разлагане при 2700 градуса по Целзий и имат плътност 3,21 g/cm3.

Термодинамика

Силициевият карбид (SiC) е сплав, съставена от чист силиций и въглерод, която обикновено се произвежда като абразив и в керамиката за използване като абразив. Макар че в природата се среща като скъпоценен камък моисанит, SiC все повече се използва от електронни устройства при високи температури или напрежения, като например светлоизлъчващи диоди и детектори, които използват неговите свойства.

Физическият пренос на пари (PVT) в силициев карбид изисква както термодинамика, така и химическа кинетика, за да бъде разбран, като термодинамиката предоставя информация за осъществимостта на реакцията, крайните продукти, стабилността на реакцията, а реакционната кинетика подчертава динамичния им характер.

В това изследване изучаваме структурните, термодинамичните и динамичните свойства на течната фаза на a-SiC, като извършваме ab initio симулации на молекулна динамика с функционалната теория на плътността (DFT). Резултатите от симулациите показват, че той се топи равномерно като една фаза при всички симулирани налягания; което съответства на експерименталните наблюдения. Изчислените температури на топене отразяват точно измерените експериментално; освен това линиите между силиция и въглерода не се появяват в никакви дифракционни модели.

Резултатите също така показват, че a-SiC се отличава с най-ниската сублимационна енталпия сред неоксидните инженерни керамики в тази база данни и има най-високата енергия на дифракция при стайна температура в сравнение с всички останали. Тези констатации показват, че той може да бъде идеален избор на материал за приложения, изискващи висока топлопроводимост с ограничено разширение.

Химични реакции

Силициевият карбид (SiC) е твърд и здрав материал с отлични електрически свойства. С по-висок температурен диапазон от много полупроводници, SiC е идеален за високотемпературни приложения, като например реактивни двигатели и ядрени реактори, както и за шлифовъчни дискове и режещи инструменти, поради по-високата си якост, износоустойчивост, топлопроводимост и устойчивост на електрическо поле в сравнение със силиция.

Предлаганият в търговската мрежа SiC е в две форми - алфа и бета. Първата се отличава с хексагонална кристална структура, подобна на Вурцит, и е най-често срещаният полиморф. Поради по-ниската си температура на топене и твърдост той има ограничени промишлени приложения, но е намерил някои приложения като носещ материал за хетерогенни катализатори.

SiC се отличава с изключително широка ивица между валентната и проводящата лента, наричана обикновено ивица на пропускане. Керамичните материали имат много предимства в сравнение с другите полупроводници, които провеждат електричество само когато електроните преминават от валентната лента в проводящата лента. Освен това това свойство прави керамиката отличен избор за среди, изискващи здрави, но издръжливи керамични решения. Понастоящем за промишлена употреба се предлагат два вида силициев карбид: синтерован силициев карбид (SSiC) и реакционно свързан силициев карбид (RBSiC). SSiC може да бъде произведен чрез пресоване и синтероване на SiC прах заедно при топлина и налягане, докато RBSiC изисква реакция на смес от SiC, свързващи материали и течен силиций в електрическа редукционна пещ. И двата метода имат различни предимства, но SSiC предлага по-голяма ефективност на разходите в сравнение с RBSiC. И двата вида са снабдени с предимства; SSiC обаче предлага по-голяма достъпност, когато става въпрос за производствени разходи, в сравнение с неговия аналог RBSiC.

Стабилност

Силициевият карбид (SiC) е изключително стабилен неоксиден керамичен материал с изключителни термични, електрически и механични свойства. Благодарение на високата си температурна якост и твърдост по Моос (9, близка до диаманта), ниската степен на термично разширение и устойчивостта на химични реакции SiC е привлекателен материал за високотемпературни компоненти, като например реактори, части за пещи, автомобилни спирачки/съединители/запалки и бронежилетки. SiC функционира добре и като полупроводников материал благодарение на широката си лентова междина, което го прави подходящ за ядрени реактори поради устойчивостта на радиационни повреди, което прави SiC идеален.

Стабилността на тези структури се дължи на два фактора. Първият е симетричната им структура, която предотвратява образуването на крехки кристални зърна, а вторият се дължи на големите стабилизиращи сили в атомната им матрица, причинени от връзката между атомите на силиция и въглерода, която създава тройна координация между съседните атоми за по-добро свързване между слоевете, което затруднява разместването или разрушаването им.

Стабилността на SiC се подсилва допълнително от неговите полупроводникови свойства с широколентов захват, висока якост, отлична устойчивост на термични удари и износоустойчивост. Благодарение на тези характеристики SiC е идеален избор на материал за екстремни инженерни приложения, като например лагери на помпи, клапани, инжектори за абразивно пясъкоструене и матрици за екструдиране.

Приложения

Силициевият карбид има много приложения. Като твърда, издръжлива неоксидна керамика с желани свойства, като висока устойчивост на окисление, стабилност на размерите, химическа стабилност и механична якост, той има няколко приложения, включително защитно покритие за никелови суперсплави на турбинни лопатки и дюзи, както и употреба в промишлени абразиви, керамика и инструменти за рязане на твърди метали.

Чистият SiC обикновено е електрически изолатор, но може да бъде направен по-проводим чрез легиране. Твърдият му материал с отлична износоустойчивост издържа на много високи температури и налягания, като същевременно служи като отличен огнеупорен материал с множество инженерни приложения, като тухли, машинни компоненти и електронни устройства.

Силициевият карбид (SiC) се произвежда чрез инфилтриране на разтопен силиций в порест въглерод, който е бил набит в желаната форма с топлина и налягане, като се получава керамика, която осигурява отлична термична, химическа и износоустойчивост и се предлага в различни форми и размери за използване като механични уплътнения, лагери или по-големи износоустойчиви части за минно или помпено оборудване; или в огнеупорни тухли, използвани като промишлен строителен материал при високи температури; освен това често е материал за дюзи/лопатки на газотурбинни двигатели поради способността му да се справя с условия на топлина/налягане.