Hvad er siliciumcarbid?

Siliciumcarbid, mere almindeligt kaldet carborundum, forekommer naturligt som det sjældne mineral moissanit og i meteoritter; men det meste kommercielle SiC, der sælges i dag, er syntetisk fremstillet.

Kulfiberforstærket plast (CFRP) er et ekstremt hårdt, kovalent bundet materiale, der fremstilles ved karbotermisk reduktion af kvartssand og oliekoks i en elektrisk modstandsovn, hvilket gør det korrosions- og slidbestandigt.

Termodynamik

Siliciumcarbid (SiC) er en antimonkeramik, der er kendt for sin hårdhed, høje varmeledningsevne og modstandsdygtighed over for kemiske reaktioner. Derudover har SiC en lav varmeudvidelseskoefficient, hvilket gør det velegnet til anvendelser, der kræver modstandsdygtighed over for varme eller termisk chok.

SiC er et ekstremt rent materiale med en hårdhedsgrad på Mohs' skala på 9. Det kan fremstilles ved at opvarme en blanding af sand og kulstof i en ovn af typen med elektrisk modstand; yderligere forædling kan omfatte tilsætning af aluminiumsdopingstoffer, der producerer enten en n-type eller p-type halvlederenhed.

SiC's smeltepunkt kan variere afhængigt af dets polymorfe krystallinske struktur. Fås i mere end 70 forskellige former, herunder alfa-siliciumcarbid (4H-SiC) med sin hexagonale krystalstruktur, der ligner wurtzit, som den mest udbredte. Betasiliciumcarbid findes også med kubiske krystalstrukturer, der ligner zinkblende eller sphalerit, og som er meget udbredt.

Krystalstruktur

Siliciumcarbid er et krystallinsk materiale med flere varianter eller polytyper, som hver især har deres eget specifikke arrangement af lag, der er bundet sammen af silicium- og kulstofatomer i tetraedriske formationer. Hver polytypes stablingssekvens giver den sin unikke krystalstruktur.

Siliciumcarbid findes i to hovedvarianter, alfa-siliciumcarbid (a-SiC) og beta-siliciumcarbid (b-SiC). Af disse to former udviser beta-SiC kubiske krystalstrukturer, der minder om diamant, zinkblende eller sphalerit.

Ildfast SiC-keramik har en fremragende varmeledningsevne på grund af de næsten lige store atomare radier mellem a-SiC og b-SiC, hvilket giver en god varmeledningsevne. Desuden gør denne egenskab det muligt for fononer at udbrede sig frit i sammensætningen. Alle disse egenskaber kombineret med det høje smeltepunkt og den lave varmeudvidelse gør siliciumcarbid til et attraktivt materiale til højtemperaturovne og giver korrosionsbestandighed og stivhedsegenskaber, der gør det til et attraktivt materialevalg.

Kemisk sammensætning

Siliciumcarbid er et ikke-oxidisk keramisk materiale med kemisk inerti og fremragende mekaniske og fysiske egenskaber, herunder høj styrke, Mohs-hårdhed på 9, lave termiske ekspansionshastigheder, modstandsdygtighed over for kemisk reaktion, fremragende krybbestandighed og temperaturer op til 1600 grader uden at begynde at oxidere.

Størkning resulterer i, at kulstof- og siliciumatomer danner trefoldige koordinationsstrukturer, som det fremgår af deres formfaktorfordeling, der viser en klar top ved 109 grader (tetraedervinkel) samt brede områder omkring denne top, hvilket tyder på, at der er forskellige lokale strukturer til stede.

SiC kan fremstilles ved at smelte ler og pulveriseret kul sammen eller ved direkte reduktion i elektriske ovne med kulstof eller brint. Edward Goodrich Acheson producerede først SiC i stor skala ved hjælp af en elektrotermisk proces i 1891; siden da er dette holdbare materiale blevet meget brugt til slibende bearbejdning og foring samt i andre anvendelser som ildfaste materialer og elektroniske komponenter.

Anvendelser

Siliciumcarbid har en række nyttige anvendelser. Det er et populært slibemiddel, der bruges til at slibe og polere metaller som messing, bronze, stål og marmor og til at skære i keramik. Desuden betyder dets Mohs-skala på 9, at det har stor lighed med diamants hårdhed, og at det er ekstremt holdbart og modstandsdygtigt over for kemiske reaktioner.

Varmeledningsevne og varmeudvidelse er fremragende egenskaber ved aluminiumnitrid, hvilket gør det ideelt til brug som ballistisk panser. Desuden gør dets stærke og stive egenskaber det velegnet til ballistiske våbensystemer samt missil- og raketmotorer.

Pebble Bed Reactor (PBR). Derudover gør dette materiales iboende modstandsdygtighed over for oxidation det velegnet til produktion af ildfaste sten og foring af atomreaktorer såsom Pebble Bed Reactors. Desuden bruger aluminiumoxid- og zirkoniumoxidkeramik fremstillet af dette materiale også Pebble Bed Reactor i deres produkter; desuden gør dets hårdhed, stivhed og lave termiske udvidelse det til et attraktivt valg af spejlmateriale til brug i astronomiske teleskoper.