Piikarbidin ominaisuudet ja käyttötarkoitukset

Piikarbidi (SiC) on yksi kovimmista tunnetuista aineista, minkä vuoksi se sopii erinomaisesti luoteja vastaan suojaavien keraamisten lohkojen valmistukseen tai suurilla nopeuksilla toimivien pumppujen tiivistämiseen.

Hiilimustajauhetta valmistetaan hioma-aineena, ja sitä voidaan myös seostaa puolijohteeksi, jolloin se on käyttökelpoinen elektronisissa laitteissa, jotka vahvistavat tai kytkevät signaaleja.

Fysikaaliset ominaisuudet

Piikarbidi on kova ja kestävä oksiditon keraaminen aine, jolla on monia toivottavia ominaisuuksia, joiden ansiosta se soveltuu moniin teollisiin sovelluksiin. Se kestää äärimmäisiä lämpötiloja ja omaa erinomaisen lämmönjohtavuuden. Lisäksi piikarbidi on yksi kovimmista synteettisistä materiaaleista (Mohsin kovuusluokituksessa toiseksi kovinta timantin jälkeen). Lisäksi sen murtumisominaisuudet tekevät siitä sopivan hiomasovelluksiin ja hiomalaikkojen hiomalaikoihin, ja sen kaistaläpimitta on eristimien ja johtimien välillä - ominaisuudet, jotka tekevät piikarbidista ihanteellisen hiomalaikkojen kaltaisiin käyttötarkoituksiin.

Toisin kuin muut laajakaistaiset puolijohteet, kuten pii ja galliumarsenidi, piikarbidista voidaan valmistaa useita monityyppejä, jotka voidaan seostaa joko p- tai n-johtavuudella, mikä tekee siitä erinomaisen vaihtoehdon piille teholaitteissa.

Vaikka piikarbidi on harvinaista maapallolla, sitä esiintyy avaruudessa ja meteoriiteissa. Murchisonin meteoriitti sisältää beetapolymorfisen piikarbidin kiteitä, joiden avulla tutkijat voivat jäljittää sen meteorihistorian. Piikarbidia on käytetty myös luodinkestävänä panssarina sen äärimmäisen vaikean läpäisevyyden vuoksi; tästä aineesta valmistetut keraamiset kappaleet kestävät useita luoteja murtumatta ammusten tulituksessa - se on kovinta keraamista materiaalia!

Kemialliset ominaisuudet

Piikarbidi, josta käytetään yleisesti nimitystä karborundi, on erinomainen oksiditon keraaminen aine, jolla on lukuisia toivottavia ominaisuuksia. Karborundumia on pitkään käytetty hiomamateriaalina esimerkiksi hiekkapaperissa ja hiomalaikoissa, mutta piikarbidi on myös teollisuusuunien tulenkestävien vuorausten sekä kaasuturbiinien ja energiantuotantojärjestelmien lämpörakenteellisten komponenttien selkäranka - puhumattakaan siitä, että piikarbidi on erittäin kova materiaali, joka kestää korkeita lämpötiloja ilman hapettumisvaurioita.

Mohsin kovuusluokitus 9,5 asettaa sen asteikolla toiseksi timantin jälkeen. Sen lisäksi, että tämä materiaali on sitkeää, sillä on erinomainen lämmönjohtavuus ja se toimii puolijohteena. Lisäksi sen tiheys tekee siitä sopivan käytettäväksi hioma- ja rakenneaineena.

SiC kestää yleensä hyvin kulutusta, mutta vapaat SiC-hiukkaset voivat kuitenkin joskus naarmuttaa sen pintaa ja kuluttaa sitä. Lisäksi piikarbidi voi syöpyä, kun se altistuu tietyille hapoille, emäksille ja hiilen kaasutusprosesseissa syntyvälle hiilikuonalle.

SiC tunnetaan muista tulenkestävistä materiaaleista poikkeuksellisen hyvästä hapettumiskestävyydestään. Ruosteen muodostumista estävän piidioksidipassiivikerroksen ansiosta SiC on erinomainen materiaalivalinta käytettäväksi uunien vuorauksissa sekä kulutusta kestävissä komponenteissa, kuten pumppujen tiivisteissä. Lisäksi SiC tarjoaa poikkeuksellisen hyvän suorituskyvyn korkeajännitesovelluksissa; sen jännitekestävyys on 10 kertaa suurempi kuin tavallisen piin.

Lämpöominaisuudet

Piikarbidi erottuu kovuudellaan, alhaisella kimmomoduulillaan huoneenlämmössä ja kohtalaisella lämpölaajenemisellaan, korkealla lämmönjohtavuudellaan ja erinomaisella hapettumisen, korroosion ja neutronisäteilyn kestävyydellään. Lisäksi sillä on uskomattomat sähköiset ominaisuudet; jännitekestävyys ylittää jopa galliumnitridijärjestelmät yli 1000 V:n jännitteellä.

Puhtaassa muodossaan piikarbidi toimii sähköisenä eristeenä, mutta seostamalla sitä typellä tai fosforilla se muuttuu n-tyypin puolijohteeksi, kun taas alumiinin, boorin ja berylliumin seostamisella saadaan aikaan p-tyypin puolijohteita - näitä seostettuja piikarbidikiteitä voidaan käyttää sähkölaitteissa, kuten resonaattoreissa ja transistoreissa.

Piikarbidia (SiC) käytetään rakennekeraamisissa sovelluksissa, kuten pumppujen laakereissa, venttiileissä, hiekkapuhallusruiskuissa ja puristussuuttimissa sen lujuuden, kovuuden, kestävyyden, korkean sulamispisteen ja hyvien kemiallisten ja lämpöshokkien kestävyysominaisuuksien vuoksi. Tämän monipuolisen materiaalin poikkeuksellisten ominaisuuksien ansiosta - kuten lujuus, kovuus, kestävyys, korkea sulamispiste, hyvä kemiallinen ja lämpöshokkien kestävyys, käyttö avaruusaluksissa (BepiColombo-lento Merkuriukseen ja aurinkopaneelilohkot, joissa on suoraan avaruusolosuhteille altistuvia SiC-diodien estoja. SiC-diodit ovat myös erinomainen valinta sähköajoneuvojen akkuihin, koska niiden suuri jännitekestävyys kestää toistuvia lataus-/purkaussyklejä ilman, että ne vioittuvat - mikä tekee tästä materiaalista erittäin suositun valinnan insinöörien keskuudessa!

Mekaaniset ominaisuudet

Piikarbidi on yksi maapallon kovimmista materiaaleista. Niin kova, että sen leikkaamiseen tarvitaan timanttiteriä. Mutta tämä tiivis ja vahva materiaali on myös erinomainen materiaalivalinta hioma-aineisiin, leikkuutyökaluihin, tulenkestäviin vuorauksiin ja teollisuusuunien kulumista kestäviin komponentteihin - unohtamatta sen kestävyyttä korkeissa lämpötiloissa!

Alumiinilla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, mukaan lukien sen kyky muotoutua erilaisiin muotoihin. Lisäksi sen erinomainen kemiallinen stabiilisuus mahdollistaa hitsaamisen muiden materiaalien, kuten teräksen, keramiikan ja betonin kanssa. Lisäksi alumiini tukee heterogeenisia katalyyttejä sen erinomaisen kemiallisen vakauden ansiosta.

Piikarbidin ainutlaatuinen fysikaalisten, kemiallisten ja termisten ominaisuuksien yhdistelmä tekee siitä kriittisen teknologian. Sitä käytetään jo erilaisissa sovelluksissa, kuten sähköajoneuvoissa ja aurinkosähköinverttereissä, ja sen jännitekestävyys tekee siitä kilpailijoidensa joukosta erottuvan, sillä se on kymmenen kertaa korkeampi kuin pii- ja galliumnitridimateriaalit.

Hiilikuitu on inertti ja kestää useimpia happoja, emäksiä ja suoloja fluorivetyhappoa lukuun ottamatta, minkä vuoksi se soveltuu altistettavaksi ilmalle jopa 2700 celsiusasteen lämpötiloissa sovelluksissa, kuten sulametalliuunien tulenkestävissä vuorauksissa tai korkealämpöisissä petrokemiallisissa uuneissa, sekä luodinkestävissä panssarisovelluksissa, koska sen kovat keraamiset lohkot ovat kovia luodin läpäisemiseksi.