Szilícium-karbid képlet

A szilíciumkarbid (más néven szilícium-karbonitrid vagy SiC) a szilíciumból és szénből álló, zöldtől a kékesfekete színűig terjedő színű kristályos vegyület, amely a természetben moissanit drágakőként található, de 1891 óta szintetikusan is előállítják csiszolókorongokban és vágószerszámokban csiszolóanyagként való felhasználásra.

A kvarc rendkívül kemény anyag, a Mohs-skála szerinti 9-es értékkel. Számos polimorf formában fordul elő, és félvezető anyagként való felhasználás céljából nitrogénnel, bórral és alumíniummal adalékolható.

Fizikai

A szilíciumkarbid (SiC) egy rendkívül kemény és tartós, szintetikusan előállított, szilícium és szén kristályos vegyülete, amelyet széles körben alkalmaznak a csiszolópapírtól és csiszolókorongoktól kezdve az ipari kemencék bélésein át, a gépek kopásálló alkatrészek kopásálló alkalmazásaihoz, a magas hőmérsékletű kerámiák gyártásához, a fénykibocsátó diódák (LED) félvezető szubsztrátjai, a félvezető szubsztrátok, valamint a félvezető szubsztrátok a félvezetőkben (LC). Figyelemre méltó fizikai jellemzői közé tartozik a rendkívüli keménység és a hővezető képesség.

A kémiai vegyületek számos különböző kristályos szerkezetből, úgynevezett polytípusokból állnak, amelyek hasonló rétegeket tartalmaznak, de a rétegződési sorrendjükben különböznek. Minden egyes polytípusnak saját kristályszerkezete és eltérő fizikai tulajdonságai vannak.

A tiszta szilíciumkarbid natív állapotában általában szigetelő; azonban ha olyan anyagokkal, mint a nitrogén, a foszfor vagy a berillium, adalékolják, akkor félvezető tulajdonságokat mutathat, és lehetővé teszi az áram áthaladását anélkül, hogy akadályozná.

A SiC leggyakrabban előforduló formája az alfa-szilíciumkarbid (a-SiC), amelynek hatszögletes, félig kitöltött tetraéderekből álló, szoros elrendezésű kristályszerkezete van. A SiC ezen formája ideális a Lely-eljárási technológiával készült csiszolópapírok és csiszolókorongok gyártásához.

A cinkblende kristályszerkezetű béta-szilíciumkarbid a SiC két elsődleges polimorfjának egyike. Ez a forma megtalálható mind az űrben a szénben gazdag csillagokból származó csillagpor formájában, mind a meteoritokon, mint például a Canyon Diablo példányon. Ezenkívül ez a vegyület bizonyos ipari vegyi anyagok összetevőjeként is megtalálható; egyes munkásoknál, akiket ennek kitettek, még tüdőgyulladás is kialakult a béta SiC-nek való kitettség miatt.

Kémiai

A szilíciumkarbid (SiC) a szilícium és a szén rendkívül kemény (a Mohs-skálán 9-es), kristályos kémiai vegyülete. Tiszta por formájában félvezető tulajdonságokkal rendelkezik, és színtelennek tűnik; az ipari gyártás során barna vagy fekete színű, irizáló szemcsék vagy por keletkezik. Karborundumként is említik, a természetben moissanitként fordul elő, valamint 1891 óta mesterségesen is előállítják csiszolóanyagokban, kohászati és tűzálló anyagokban való felhasználásra.

A SiC-t jellemzően két eljárással állítják elő iparilag. Az egyik során kis mennyiségű szenet vagy bórt adnak a nyersanyaghoz a sűrítés javítása és a porozitás csökkentése érdekében; a port ezután összepréselik, majd elektromos fűtésű kemencében szinterezik, hogy a kívánt méretű, alakú, sűrűségű, kémiai összetételű és sűrűségű tömördarabokat vagy szemcséket alkossanak.

Az ilyen anyagok erősen koptató hatásúak, és komoly károkat okozhatnak a berendezésekben. Ezért az anyag kezelése során megfelelő óvintézkedéseket kell tenni - beleértve a légzésvédő maszk és kesztyű használatát, valamint az összes vonatkozó biztonsági előírás és irányelv betartását. A belégzés közvetlen légúti veszélyt jelent, amely bőr- vagy szemirritációt és emésztési zavarokat is okozhat; ezért az optimális tárolási körülmények érdekében az élelmiszerektől és folyadékforrásoktól távol, jól szellőző helyen kell tárolni.

Mechanikus

A szilíciumkarbid kiváló tűzálló kerámia tulajdonságokkal büszkélkedhet, amelyek nagy keménységet, merevséget és szakítószilárdságot, valamint kémiai és termikus sokkállóságot biztosítanak, így kiváló csiszolóanyag számos alkalmazásban, például csiszolókorongokban, vágószerszámokban vagy homokfúvó anyagokban. Ezenkívül a szilíciumkarbid-erősítést gyakran használják kemény kerámiákban, például porcelánban, valamint üvegkövekben és fémbélésekben, hogy megerősítsék azokat a kopás és kopás ellen.

A moissanit a természetben ritka ásványként fordul elő; 1893 óta azonban a csiszolóanyagként való kereskedelmi célú előállítása az Acheson-eljárás segítségével történik. A tiszta szilícium-dioxid (SiO2) kvarchomok és finomra őrölt petróleumkoksz keverékeként, valamint szénelektródával kombinált elektromos kemencében keletkező keverék kis szilíciumkarbid-kristályokat képez, amelyek aztán csiszolóanyagként való felhasználás céljából porrá őrölhetők.

A szilíciumkarbid különböző polytípusokban létezik, amelyek kristályszerkezetükben és egymásra rétegződési sorrendjükben különböznek egymástól. Az egyik forma, az alfa szilíciumkarbid (SiC) hatszögletű kristályszerkezettel rendelkezik, míg a béta-módosítás a gyémánthoz hasonló cink-blende szerkezettel kevésbé népszerű, de hasznos tulajdonságokkal rendelkezhet.

Ez az anyag általában nem hatékony áramvezető; azonban a félvezető képességét bizonyos szennyeződésekkel való adalékolással vagy külső terek alkalmazásával ki lehet fejleszteni. Így széles körben alkalmazzák az elektronikus eszközökben, például tranzisztorokban és diódákban, ahol félvezető anyagokra van szükség.

Elektromos

A szilíciumkarbid elektromos tulajdonságai a többrétegű kristályszerkezetére vezethetők vissza. A szilícium-karbid számos polytípust alkot, amelyek csak az egyébként azonos kétrétegű rétegek egymásra rakódási sorrendjében különböznek; ezért széles sávhézagú anyagnak tekinthető, mivel az elektronikus energiaszintek a polytípusok között jelentősen eltérnek, szemben a szilícium (az alapelem) szűkebb sávjaival.

A szilíciumkarbid porokat leggyakrabban úgy használják fel, hogy magas hőmérsékleten és nyomáson különböző kötőanyagokkal együtt kötik őket kerámiák vagy szilárd anyagok alkotására, mint például az autók vagy gépek kopásálló alkatrészeiben. A 19. század vége óta a szilíciumkarbidot mind koptató, mind kohászati célokra használják; kemencék vagy csiszolókorongok tűzálló bélésére; kopásálló alkatrészekre; valamint elektronikus alkalmazásokban, például fénykibocsátó diódákban és a korai rádiókban használt detektorokban.

A SiC tiszta állapotban szigetelő; azonban szennyeződésekkel, például alumínium, bór és gallium adalékanyagokkal, nitrogén vagy foszfor adalékanyagokkal történő adalékolással P-típusú vagy N-típusú félvezetővé válhat.

A SiC kiváló hőtágulási tulajdonságokkal rendelkezik, kivételesen alacsony hőtágulási együtthatóval. Szilárdsága lehetővé teszi, hogy akár 1600degC hőmérsékletet is kibírjon anélkül, hogy jelentős integritásromlás vagy integritásvesztés következne be, továbbá kiváló korrózió- és oxidációállósággal rendelkezik levegőben, vízben és számos oldószerben.