Mi a szilícium-karbid?

A szilíciumkarbid, közismertebb nevén a karborundum, a természetben a ritka ásvány, a moissanit és a meteoritok formájában fordul elő; a legtöbb manapság forgalmazott SiC azonban szintetikusan előállított.

A szénszál-erősítésű műanyag (CFRP) egy rendkívül kemény, kovalens kötésű anyag, amelyet szilícium-dioxid-homok és kőolajkoksz karbotermikus redukciójával állítanak elő elektromos ellenállású kemencében, és amely korrózió- és kopásállóvá teszi.

Termodinamika

A szilíciumkarbid (SiC) egy antimon kerámia, amely keménységéről, nagy hővezető képességéről és kémiai reakcióállóságáról ismert. A SiC emellett alacsony hőtágulási együtthatóval rendelkezik, ami alkalmassá teszi olyan alkalmazásokhoz, amelyek hővel vagy hőhatással szembeni ellenállást igényelnek.

A SiC rendkívül tiszta anyag, a Mohs-skála szerinti 9-es keménységű. Homok és szén keverékének elektromos ellenállású kemencében történő hevítésével állítható elő; a további finomítás magában foglalhatja alumínium adalékanyagok hozzáadását, amelyek n-típusú vagy p-típusú félvezető eszközt eredményeznek.

A SiC olvadáspontja a polimorf kristályszerkezetétől függően változhat. Több mint 70 különböző formában kapható, köztük a legelterjedtebb a Wurtzitra emlékeztető hexagonális kristályszerkezetű alfa-szilíciumkarbid (4H-SiC). Létezik béta szilíciumkarbid is, amelynek a cinkblendéhez vagy a szfalerithez hasonló arccsontcentrált köbös kristályszerkezete széles körben elterjedt.

Kristályszerkezet

A szilíciumkarbid egy kristályos anyag, amelynek több fajtája vagy polytípusa van, mindegyik a szilícium- és szénatomok által tetraéderes alakzatokban összekapcsolt rétegek sajátos elrendezésével rendelkezik. Minden egyes polytípusnak a rétegződési sorrendje adja az egyedi kristályszerkezetét.

A szilíciumkarbidnak két fő fajtája van, az alfa-szilíciumkarbid (a-SiC) és a béta-szilíciumkarbid (b-SiC). E két forma közül a béta-SiC a gyémántra, cinkblendére vagy szfaleritre emlékeztető, arccal centrált köbös kristályszerkezetet mutat.

A SiC tűzálló kerámia kiváló hővezető képességgel rendelkezik az a-SiC és a b-SiC közel azonos atomi sugarai miatt, ami jó hővezetést biztosít. Továbbá ez a tulajdonsága lehetővé teszi a fononok szabad terjedését az összetételén belül. Mindezek a tulajdonságok magas olvadáspontjával és alacsony hőtágulási sebességével együtt a szilíciumkarbidot vonzó anyaggá teszik a magas hőmérsékletű kemencék számára, valamint olyan korrózióállóságot és merevségi tulajdonságokat biztosítanak, amelyek vonzó anyagválasztássá teszik.

Kémiai összetétel

A szilíciumkarbid egy nem oxidos kerámiaanyag, amely kémiai inert és kiváló mechanikai és fizikai tulajdonságokkal rendelkezik, beleértve a nagy szilárdságot, a 9-es Mohs-keménységet, az alacsony hőtágulási arányt, a kémiai reakciókkal szembeni ellenállást, a kiváló kúszásállósági tulajdonságokat és az 1600 °C-ig terjedő hőmérsékletet anélkül, hogy oxidálódni kezdene.

A megszilárdulás következtében a szén- és szilíciumatomok háromszoros koordinációs struktúrát alkotnak, amint azt az alaki tényező eloszlásuk mutatja, amely egy egyértelmű csúcsot mutat 109deg-nél (tetraéderes szög), valamint széles területeket e csúcs körül, ami arra utal, hogy különböző helyi struktúrák vannak jelen.

A SiC előállítható agyag és szénpor összeolvasztásával, vagy közvetlen redukcióval elektromos kemencében szénnel vagy hidrogénnel. Edward Goodrich Acheson 1891-ben állított elő először nagy mennyiségben SiC-et elektrotermikus eljárással; azóta ezt a tartós anyagot széles körben használják csiszoló megmunkálásokhoz és bélésekhez, valamint más alkalmazásokban, például tűzálló anyagok és elektronikus alkatrészek gyártásához.

Alkalmazások

A szilícium-karbid számos hasznos alkalmazást szolgál. Ez egy népszerű csiszolóanyag, amelyet fémek, például sárgaréz, bronz, acél és márvány csiszolásához és polírozásához, valamint kerámiák vágásához használnak. Továbbá a Mohs-skála 9-es minősítése azt jelenti, hogy a gyémánt keménységéhez közel áll, valamint rendkívül tartós és ellenáll a kémiai reakcióknak.

Az alumínium-nitrid kiváló tulajdonságai közé tartozik a hővezetés és a hőtágulás, így ideális ballisztikai páncélként való felhasználásra. Továbbá erős és merev tulajdonságai alkalmassá teszik ballisztikus fegyverrendszerek, valamint rakéta- és rakétamotorok számára.

Kavicságyas reaktor (PBR). Ezenfelül ez az anyag az oxidációval szembeni eredendő ellenállása miatt alkalmas tűzálló téglák gyártására és nukleáris reaktorok, például kavicságyas reaktorok bélelésére. Továbbá, az ebből az anyagból készült alumínium- és cirkónium-dioxid-kerámiák is használják a Pebble Bed Reactor-t termékeikben; emellett keménysége, merevsége és alacsony hőtágulása miatt vonzó tüköranyagnak számít a csillagászati távcsövekben való felhasználásra.