Mikä on piikarbidi?

Piikarbidia, jota kutsutaan yleisesti karborundiksi, esiintyy luonnossa harvinaisena mineraalina moissanite ja meteoriiteissa, mutta suurin osa nykyisin myytävästä kaupallisesta piikarbidista on synteettisesti valmistettua.

Hiilikuituvahvisteinen muovi (CFRP) on erittäin kova kovalenttisesti sidottu materiaali, jota valmistetaan kvartsihiekan ja petrolikoksin karbotermisellä pelkistämisellä sähkövastus-uun uunissa, mikä tekee siitä korroosion- ja kulutuksenkestävää.

Termodynamiikka

Piikarbidi (SiC) on antimonikeramiikka, joka tunnetaan kovuudestaan, korkeasta lämmönjohtavuudestaan ja kemiallisen reaktion kestävyydestään. Lisäksi SiC:llä on alhainen lämpölaajenemiskerroin, joten se soveltuu sovelluksiin, joissa vaaditaan lämmön tai lämpöshokkien kestävyyttä.

SiC on erittäin puhdas materiaali, jonka Mohsin asteikon kovuusluokka on 9. Se voidaan valmistaa kuumentamalla hiekan ja hiilen seosta sähkövastuksen tyyppisessä uunissa; jatkojalostukseen voidaan lisätä alumiinia sisältäviä seostusaineita, jotka tuottavat joko n- tai p-tyyppisen puolijohdekomponentin.

SiC:n sulamispiste voi vaihdella sen polymorfisen kiderakenteen mukaan. Siitä on saatavilla yli 70 eri muotoa, joista alfa-piikarbidi (4H-SiC), jonka kuusikulmainen kiderakenne muistuttaa wurtziittia, on yleisin. Laajassa käytössä on myös beeta-piikarbidia, jonka kasvokeskitetty kuutiomainen kiderakenne muistuttaa sinkkivälkettä tai sfaleriittia.

Kiderakenne

Piikarbidi on kiteinen materiaali, jolla on useita eri lajikkeita tai monityyppejä, joissa jokaisessa on oma erityinen kerrosjärjestyksensä, jossa pii- ja hiiliatomit ovat sitoutuneet toisiinsa tetraedrimuodostelmiin. Kunkin polytyypin pinoamisjärjestys antaa sille ainutlaatuisen kiderakenteen.

Piikarbidia on kahta päälajiketta, alfapiikarbidia (a-SiC) ja beetapiikarbidia (b-SiC). Näistä kahdesta muodosta beta-SiC:llä on timanttia, sinkkivälkettä tai sfaleriittia muistuttava kasvokeskitetty kuutiomainen kiderakenne.

SiC:llä on erinomainen lämmönjohtavuus, koska a-SiC:n ja b-SiC:n atomisäteet ovat lähes yhtä suuret, mikä takaa hyvän lämmönjohtavuuden. Lisäksi tämä ominaisuus mahdollistaa fononien vapaan etenemisen sen koostumuksessa. Kaikki nämä ominaisuudet yhdistettynä korkeaan sulamispisteeseen ja alhaiseen lämpölaajenemiseen tekevät piikarbidista houkuttelevan materiaalin korkean lämpötilan uuneihin sekä tarjoavat korroosionkestävyyttä ja jäykkyysominaisuuksia, jotka tekevät siitä houkuttelevan materiaalivalinnan.

Kemiallinen koostumus

Piikarbidi on oksiditon keraaminen materiaali, jolla on kemiallinen inerttiys ja erinomaiset mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuudet, kuten korkea lujuus, Mohsin kovuus 9, alhainen lämpölaajenemisnopeus, kemiallisten reaktioiden kestävyys, erinomaiset virumiskestävyysominaisuudet ja lämpötilat jopa 1600 celsiusasteen lämpötiloissa ilman, että se alkaa hapettua.

Jähmettymisen seurauksena hiili- ja piiatomit muodostavat kolminkertaisia koordinaatiorakenteita, mikä käy ilmi niiden muotokertoimen jakaumasta, jossa näkyy selkeä huippu 109 deg:n kohdalla (tetraedrinen kulma) sekä laajoja alueita tämän huipun ympärillä, mikä viittaa erilaisten paikallisten rakenteiden olemassaoloon.

SiC:tä voidaan valmistaa sulattamalla savea ja hiilijauhetta yhteen tai pelkistämällä se suoraan sähköuunissa hiilen tai vedyn avulla. Edward Goodrich Acheson tuotti ensimmäisen kerran suuressa mittakaavassa SiC:tä sähkötermisen prosessin avulla vuonna 1891; sen jälkeen tätä kestävää materiaalia on käytetty laajalti hiovassa työstössä ja vuoraustöissä sekä muissa sovelluksissa, kuten tulenkestävissä aineissa ja elektroniikan komponenteissa.

Sovellukset

Piikarbidilla on useita hyödyllisiä sovelluksia. Se on suosittu hioma-aine, jota käytetään metallien, kuten messingin, pronssin, teräksen ja marmorin hiontaan ja kiillotukseen sekä keramiikan leikkaamiseen. Lisäksi sen Mohsin asteikon luokitus 9 tarkoittaa, että sen kovuus on lähellä timantin kovuutta ja että se on erittäin kestävä ja kestää kemiallisia reaktioita.

Lämmönjohtavuus ja lämpölaajeneminen ovat alumiininitridin erinomaisia ominaisuuksia, joten se soveltuu erinomaisesti ballistiseen panssarointiin. Lisäksi sen vahvat ja jäykät ominaisuudet tekevät siitä sopivan ballistisiin asejärjestelmiin sekä ohjus- ja rakettimoottoreihin.

Kivipeti-reaktori (Pebble Bed Reactor, PBR). Lisäksi tämän materiaalin luontainen hapettumiskestävyys tekee siitä sopivan tulenkestävien tiilien valmistukseen ja ydinreaktoreiden, kuten Pebble Bed Reactors -reaktoreiden, vuoraukseen. Lisäksi tästä materiaalista valmistetuissa alumiinioksidi- ja zirkoniakeraamisissa tuotteissa käytetään myös Pebble Bed Reactoria; lisäksi sen kovuus, jäykkyys ja vähäinen lämpölaajeneminen tekevät siitä houkuttelevan peilimateriaalivalinnan tähtitieteellisissä kaukoputkissa käytettäväksi.