Τι είναι το καρβίδιο του πυριτίου;

Το καρβίδιο του πυριτίου, που αναφέρεται πιο συχνά ως καρβορουνδία, εμφανίζεται στη φύση ως το σπάνιο ορυκτό μοισσανίτης και σε μετεωρίτες- ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος του εμπορικού SiC που πωλείται σήμερα είναι συνθετικό.

Το πλαστικό ενισχυμένο με ίνες άνθρακα (CFRP) είναι ένα εξαιρετικά σκληρό ομοιοπολικά συνδεδεμένο υλικό που παράγεται μέσω καρβοθερμικής αναγωγής πυριτικής άμμου και πετρελαϊκού κοκ σε κλίβανο ηλεκτρικής αντίστασης, καθιστώντας το ανθεκτικό στη διάβρωση και την τριβή.

Θερμοδυναμική

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα κεραμικό αντιμονίου, γνωστό για τη σκληρότητα, την υψηλή θερμική αγωγιμότητα και την αντοχή του στις χημικές αντιδράσεις. Επιπλέον, το SiC εμφανίζει χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, καθιστώντας το κατάλληλο για εφαρμογές που απαιτούν αντοχή στη θερμότητα ή σε θερμικά σοκ.

Το SiC είναι ένα εξαιρετικά καθαρό υλικό με βαθμό σκληρότητας στην κλίμακα Mohs 9. Μπορεί να δημιουργηθεί με τη θέρμανση ενός μείγματος άμμου και άνθρακα σε κλίβανο τύπου ηλεκτρικής αντίστασης- η περαιτέρω βελτίωση μπορεί να περιλαμβάνει την προσθήκη προσμίξεων αλουμινίου που παράγουν είτε μια ημιαγωγική διάταξη τύπου n είτε τύπου p.

Το σημείο τήξης του SiC μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με την πολυμορφική κρυσταλλική δομή του. Διατίθεται σε περισσότερες από 70 διαφορετικές μορφές, συμπεριλαμβανομένου του καρβιδίου του πυριτίου άλφα (4H-SiC) με εξαγωνική κρυσταλλική δομή που μοιάζει με Wurtzite ως η επικρατέστερη. Υπάρχει επίσης το καρβίδιο του πυριτίου βήτα με κρυσταλλικές δομές κυβικού σχήματος με κέντρο το πρόσωπο που μοιάζει με τον ψευδαργυρόλιθο ή τον σφαλερίτη για ευρεία χρήση.

Κρυσταλλική δομή

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα κρυσταλλικό υλικό με πολλαπλές ποικιλίες ή πολυτύπους, καθένας από τους οποίους διαθέτει τη δική του ειδική διάταξη στρωμάτων που συνδέονται μεταξύ τους με άτομα πυριτίου και άνθρακα σε τετραεδρικούς σχηματισμούς. Η αλληλουχία στοίβαξης κάθε πολυτύπου του προσδίδει τη μοναδική κρυσταλλική δομή του.

Το καρβίδιο του πυριτίου κυκλοφορεί σε δύο κύριες ποικιλίες, το καρβίδιο του πυριτίου άλφα (α-SiC) και το καρβίδιο του πυριτίου βήτα (β-SiC). Από αυτές τις δύο μορφές, το βήτα SiC εμφανίζει κυβικές κρυσταλλικές δομές με πρόσωπο που θυμίζουν διαμάντι, ψευδαργυρόλιθο ή σφαλερίτη.

Το πυρίμαχο κεραμικό SiC έχει εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα λόγω των σχεδόν ίσων ατομικών ακτίνων μεταξύ a-SiC και b-SiC, παρέχοντας καλή θερμική αγωγιμότητα. Επιπλέον, η ιδιότητα αυτή επιτρέπει στα φωνόνια να διαδίδονται ελεύθερα εντός της σύνθεσής του. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά συνδυάζονται με το υψηλό σημείο τήξης και τον χαμηλό ρυθμό θερμικής διαστολής του και καθιστούν το καρβίδιο του πυριτίου ελκυστικό υλικό για φούρνους υψηλής θερμοκρασίας, καθώς και παρέχουν αντοχή στη διάβρωση και ιδιότητες ακαμψίας που το καθιστούν ελκυστική επιλογή υλικού.

Χημική σύνθεση

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα μη οξειδωτικό κεραμικό υλικό με χημική αδράνεια και εξαιρετικές μηχανικές και φυσικές ιδιότητες, όπως υψηλή αντοχή, σκληρότητα Mohs 9, χαμηλούς ρυθμούς θερμικής διαστολής, αντοχή σε χημικές αντιδράσεις, εξαιρετικές ιδιότητες αντοχής σε ερπυσμό και θερμοκρασίες έως 1600 βαθμούς Κελσίου χωρίς να αρχίσει να οξειδώνεται.

Η στερεοποίηση έχει ως αποτέλεσμα τα άτομα άνθρακα και πυριτίου να σχηματίζουν δομές τριπλού συντονισμού, όπως αποκαλύπτεται από την κατανομή του συντελεστή σχήματος, η οποία παρουσιάζει μια σαφή κορυφή στις 109deg (τετραεδρική γωνία), καθώς και ευρείες περιοχές γύρω από την κορυφή αυτή, γεγονός που υποδηλώνει την ύπαρξη διαφόρων τοπικών δομών.

Το SiC μπορεί να παραχθεί με τήξη πηλού και κονιοποιημένου άνθρακα ή με απευθείας αναγωγή σε ηλεκτρικούς κλιβάνους με άνθρακα ή υδρογόνο. Ο Edward Goodrich Acheson παρήγαγε για πρώτη φορά SiC σε μεγάλη κλίμακα χρησιμοποιώντας μια ηλεκτροθερμική διαδικασία το 1891- έκτοτε, αυτό το ανθεκτικό υλικό έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για λειαντικές κατεργασίες και εργασίες επένδυσης, καθώς και σε άλλες εφαρμογές όπως πυρίμαχα υλικά και ηλεκτρονικά εξαρτήματα.

Εφαρμογές

Το καρβίδιο του πυριτίου έχει πολλές χρήσιμες εφαρμογές. Είναι ένα δημοφιλές λειαντικό που χρησιμοποιείται για τη λείανση και τη στίλβωση μετάλλων, όπως ορείχαλκος, μπρούντζος, χάλυβας και μάρμαρο, καθώς και για την κοπή κεραμικών. Επιπλέον, η βαθμολογία του στην κλίμακα Mohs 9 σημαίνει ότι έχει στενές ομοιότητες με τη σκληρότητα του διαμαντιού, καθώς και ότι είναι εξαιρετικά ανθεκτικό και ανθεκτικό στις χημικές αντιδράσεις.

Η θερμική αγωγιμότητα και η θερμική διαστολή είναι εξαιρετικές ιδιότητες του νιτριδίου του αλουμινίου, καθιστώντας το ιδανικό για χρήση ως βαλλιστική θωράκιση. Επιπλέον, τα ισχυρά και άκαμπτα χαρακτηριστικά του το καθιστούν κατάλληλο για βαλλιστικά οπλικά συστήματα καθώς και για κινητήρες πυραύλων και πυραύλων.

Αντιδραστήρας βοτσαλωτής κλίνης (PBR). Επιπλέον, η εγγενής αντίσταση του υλικού αυτού στην οξείδωση το καθιστά κατάλληλο για την παραγωγή πυρίμαχων τούβλων και την επένδυση πυρηνικών αντιδραστήρων όπως οι αντιδραστήρες Pebble Bed Reactors. Επιπλέον, τα κεραμικά αλουμίνας και ζιρκονίας που κατασκευάζονται με αυτό το υλικό χρησιμοποιούν επίσης τον αντιδραστήρα Pebble Bed Reactor στα προϊόντα τους- επιπλέον, η σκληρότητα, η ακαμψία και η χαμηλή θερμική διαστολή του το καθιστούν μια ελκυστική επιλογή υλικού καθρέφτη για χρήση σε αστρονομικά τηλεσκόπια.