Hva er silisiumkarbid?

Silisiumkarbid, ofte kalt karborundum, forekommer naturlig som det sjeldne mineralet moissanitt og i meteoritter, men det meste av det kommersielle SiC som selges i dag, er syntetisk fremstilt.

Karbonfiberarmert plast (CFRP) er et ekstremt hardt, kovalent bundet materiale som produseres gjennom karbotermisk reduksjon av silikasand og petroleumskoks i en elektrisk motstandsovn, noe som gjør det korrosjons- og slitesterkt.

Termodynamikk

Silisiumkarbid (SiC) er en antimonkeramikk som er kjent for sin hardhet, høye varmeledningsevne og motstand mot kjemiske reaksjoner. I tillegg har SiC lav termisk ekspansjonskoeffisient, noe som gjør det egnet for bruksområder som krever motstand mot varme eller termisk sjokk.

SiC er et ekstremt rent materiale med en hardhetsgrad på Mohs-skalaen på 9. Det kan lages ved å varme opp en blanding av sand og karbon i en ovn av elektrisk motstandstype; ytterligere raffinering kan omfatte tilsetning av aluminiumdopingsstoffer som gir en halvlederenhet av enten n- eller p-typen.

SiCs smeltepunkt kan variere avhengig av den polymorfe krystallstrukturen. Det finnes i mer enn 70 forskjellige former, inkludert alfa-silisiumkarbid (4H-SiC) med en heksagonal krystallstruktur som ligner wurtzit, som er den mest utbredte. Betasilisiumkarbid finnes også med en sidesentrert kubisk krystallstruktur som ligner sinkblende eller sfaleritt, som er mye brukt.

Krystallstruktur

Silisiumkarbid er et krystallinsk materiale med flere varianter eller polytyper, som hver har sitt eget spesifikke arrangement av lag som er bundet sammen av silisium- og karbonatomer i tetraedriske formasjoner. Hver polytypes stablingssekvens gir den sin unike krystallstruktur.

Silisiumkarbid finnes i to hovedvarianter, alfa-silisiumkarbid (a-SiC) og beta-silisiumkarbid (b-SiC). Av disse to formene har beta-SiC en flatesentrert kubisk krystallstruktur som minner om diamant, sinkblende eller sfaleritt.

Ildfast SiC-keramikk har en utmerket varmeledningsevne på grunn av nesten like atomradier mellom a-SiC og b-SiC, noe som gir god varmeledningsevne. Denne egenskapen gjør dessuten at fononer kan forplante seg fritt i sammensetningen. Alle disse egenskapene kombinert med det høye smeltepunktet og den lave termiske ekspansjonshastigheten gjør silisiumkarbid til et attraktivt materiale for høytemperaturovner, i tillegg til at korrosjonsbestandighet og stivhet gjør det til et attraktivt materialvalg.

Kjemisk sammensetning

Silisiumkarbid er et ikke-oksidholdig keramisk materiale med kjemisk inertitet og utmerkede mekaniske og fysiske egenskaper, inkludert høy styrke, Mohs-hardhet på 9, lave termiske ekspansjonshastigheter, motstand mot kjemisk reaksjon, utmerkede krympebestandighetsegenskaper og temperaturer opp til 1600 grader Celsius uten å begynne å oksidere.

Når karbon- og silisiumatomene størkner, danner de trefoldige koordinasjonsstrukturer, noe som avsløres av formfaktorfordelingen, som viser en tydelig topp ved 109 grader (tetraedervinkel) samt brede områder rundt denne toppen, noe som tyder på at det finnes ulike lokale strukturer.

SiC kan produseres ved å smelte sammen leire og kullpulver eller gjennom direkte reduksjon i elektriske ovner med karbon eller hydrogen. Edward Goodrich Acheson produserte SiC i stor skala ved hjelp av en elektrotermisk prosess i 1891, og siden den gang har dette slitesterke materialet blitt mye brukt til slipende bearbeiding og foring, i tillegg til andre bruksområder som ildfaste materialer og elektroniske komponenter.

Bruksområder

Silisiumkarbid har en rekke nyttige bruksområder. Det er et populært slipemiddel som brukes til sliping og polering av metaller som messing, bronse, stål og marmor, og til kutting av keramikk. Med en Mohs-klassifisering på 9 på Mohs-skalaen har det dessuten store likheter med diamanters hardhet, i tillegg til at det er ekstremt slitesterkt og motstandsdyktig mot kjemiske reaksjoner.

Aluminiumnitrid har gode egenskaper når det gjelder varmeledningsevne og termisk ekspansjon, noe som gjør det ideelt til bruk som ballistisk panser. De sterke og stive egenskapene gjør det dessuten velegnet til ballistiske våpensystemer samt rakett- og missilmotorer.

Pebble Bed Reactor (PBR). Materialets iboende motstand mot oksidasjon gjør det dessuten velegnet til produksjon av ildfast stein og til foring av atomreaktorer som Pebble Bed Reactors. Pebble Bed Reactor brukes også i alumina- og zirkoniumoksidkeramikk laget av dette materialet, og materialets hardhet, stivhet og lave termiske ekspansjon gjør det til et attraktivt valg som speilmateriale i astronomiske teleskoper.