Kas ir silīcija karbīds?

Silīcija karbīds, ko biežāk dēvē par karborundu, dabā sastopams kā retais minerāls moizanīts un meteorītos, tomēr lielākā daļa mūsdienās pārdotā SiC ir sintētiski ražots.

Ar oglekļa šķiedru stiegrota plastmasa (CFRP) ir ārkārtīgi ciets kovalentās saites materiāls, ko ražo, karbotermiski reducējot silīcija smiltis un naftas koksu elektriskā pretestības krāsnī, padarot to izturīgu pret koroziju un abraziju.

Termodinamika

Silīcija karbīds (SiC) ir antimona keramika, kas pazīstama ar savu cietību, augstu siltumvadītspēju un izturību pret ķīmiskām reakcijām. Turklāt SiC ir zems termiskās izplešanās koeficients, kas to padara piemērotu lietojumiem, kuros nepieciešama karstuma vai termiskā trieciena izturība.

SiC ir ārkārtīgi tīrs materiāls, kura cietība pēc Mosa skalas ir 9. To var izveidot, karsējot smilšu un oglekļa maisījumu elektriskās pretestības tipa krāsnī; tālāka pilnveidošana var ietvert alumīnija piedevu pievienošanu, lai iegūtu n vai p tipa pusvadītāju ierīci.

SiC kušanas temperatūra var atšķirties atkarībā no tā polimorfās kristāliskās struktūras. Pieejams vairāk nekā 70 dažādās formās, tostarp visizplatītākā ir alfa silīcija karbīda (4H-SiC) ar sešstūrainu kristālisko struktūru, kas atgādina vurcītu. Pastāv arī beta silīcija karbīds ar sejas centrētas kubiskas kristāliskas struktūras kristālisko struktūru, kas līdzinās cinkblendam vai sfalerītam, un ir plaši izplatīts.

Kristāla struktūra

Silīcija karbīds ir kristālisks materiāls ar vairākām šķirnēm jeb politipiem, un katram no tiem ir savs īpašs slāņu izkārtojums, ko silīcija un oglekļa atomi saista kopā tetraedru formācijās. Katra politipa sakārtojuma secība piešķir tam unikālu kristālisko struktūru.

Silīcija karbīds ir divu veidu - alfa silīcija karbīds (a-SiC) un beta silīcija karbīds (b-SiC). No šīm divām formām beta SiC ir ar sejas centrētu kubisku kristālisko struktūru, kas atgādina dimantu, cinkblendi vai sfellerītu.

SiC ugunsizturīgajai keramikai ir lieliska siltumvadītspēja, jo a-SiC un b-SiC atomu rādiusi ir gandrīz vienādi, nodrošinot labu siltumvadītspēju. Turklāt šī īpašība ļauj fononiem brīvi izplatīties tās sastāvā. Visas šīs īpašības apvienojumā ar augstu kušanas temperatūru un zemu termiskās izplešanās koeficientu padara silīcija karbīdu par pievilcīgu materiālu augstas temperatūras krāsnīm, kā arī nodrošina izturību pret koroziju un stingrības īpašības, kas padara šo materiālu par pievilcīgu izvēli.

Ķīmiskais sastāvs

Silīcija karbīds ir keramikas materiāls, kas nav oksīds, ar ķīmisku inertumu un lieliskām mehāniskām un fizikālām īpašībām, tostarp augstu izturību, Mosa cietību 9, zemu termiskās izplešanās ātrumu, izturību pret ķīmiskām reakcijām, lielisku izturību pret slīdēšanu un temperatūru līdz 1600 grādiem pēc C, nesākot oksidēties.

Cietināšanas rezultātā oglekļa un silīcija atomi veido trīskāršas koordinācijas struktūras, kā to atklāj to formas koeficienta sadalījums, kurā redzams skaidrs maksimums pie 109 grādiem (tetraedriskais leņķis), kā arī plaši apgabali ap šo maksimumu, kas liecina par dažādu lokālu struktūru esamību.

SiC var iegūt, kausējot kopā mālu un pulverveida ogles vai tieši reducējot elektriskās krāsnīs ar oglekli vai ūdeņradi. Edvards Goodrich Acheson 1891. gadā, izmantojot elektrotermisko procesu, pirmo reizi izgatavoja SiC lielos apjomos; kopš tā laika šis izturīgais materiāls ir plaši izmantots abrazīvai apstrādei un oderējumam, kā arī citos pielietojumos, piemēram, ugunsizturīgajos materiālos un elektroniskajos komponentos.

Pieteikumi

Silīcija karbīdu var izmantot vairākos lietderīgos veidos. Tas ir populārs abrazīvs, ko izmanto metālu, piemēram, misiņa, bronzas, tērauda un marmora, slīpēšanai un pulēšanai, kā arī keramikas griešanai. Turklāt Mosa skalas 9. pakāpe nozīmē, ka tā cietība ir ļoti līdzīga dimanta cietībai, kā arī tas ir ļoti izturīgs un noturīgs pret ķīmiskām reakcijām.

Alumīnija nitrīda lieliskās īpašības ir siltumvadītspēja un termiskā izplešanās, tāpēc tas ir ideāli piemērots ballistisko bruņu izmantošanai. Turklāt tā stiprās un stingrās īpašības padara to piemērotu ballistisko ieroču sistēmām, kā arī raķešu un raķešu dzinējiem.

Akmeņu slāņa reaktors (PBR). Turklāt šī materiāla raksturīgā izturība pret oksidēšanos padara to piemērotu ugunsizturīgo ķieģeļu ražošanai un kodolreaktoru, piemēram, Pebble Bed Reactors, oderējumam. Turklāt arī alumīnijkeramikā un cirkonija keramikā, kas ražota no šī materiāla, izmanto Pebble Bed Reactor; turklāt tā cietība, stingrība un zemā termiskā izplešanās padara to par pievilcīgu spoguļu materiālu izmantošanai astronomiskajos teleskopos.