Dichtheid van siliciumcarbide

Siliciumcarbide (SiC), ook wel carborundum genoemd, is een extreem hard en duurzaam keramisch materiaal met een lage thermische uitzetting en een grote weerstand tegen zuren en logen.

Asbest komt voor als geelgroene tot blauwzwarte iriserende kristallen die bij inademing een aanhoudende nodulaire fibroserende alveolitis kunnen veroorzaken die lijkt op de alveolitis die veroorzaakt wordt door crocidolietasbest.

Dichtheid

Siliciumcarbide (SiC) heeft een dichtheid van 3,21 g/cm3, veel lager dan silicium dat 2,33 g/cm3 heeft. Als een van de sterkste en hardste materialen is SiC ideaal voor toepassingen die een hoge sterkte en slijtvastheid vereisen, maar ook zijn brede bandkloof en uitstekende thermische geleidbaarheid - perfect voor vermogenselektronica die bij hogere temperaturen en spanningen werkt.

Siliciumcarbide (SiC) is een legering van silicium en koolstof, in de volksmond ook wel "carborundum" genoemd. SiC komt van nature voor in moissanietmineralen en wordt sinds 1893 op grote schaal geproduceerd als poeder en kristal voor gebruik als schuurmiddel. Toepassingen zijn onder andere snij- en slijpgereedschappen, hogedrukschuurapparatuur zoals brekers, beperkte thermische uitzetting en corrosiebestendigheid en beperkte thermische uitzetting als vuurvast materiaal in ovens/spitovens en straal-/slagtoepassingen.

De belangrijkste eigenschappen van siliciumcarbide gaan veel verder dan de lage dichtheid en hoge sterkte, zoals het hoge smeltpunt en de uitstekende chemische stabiliteit - twee eigenschappen die aanzienlijk bijdragen aan de waarde ervan. Bovendien heeft siliciumcarbide een uitzonderlijke weerstand tegen corrosie en een superieure thermische geleidbaarheid; allemaal eigenschappen die dit materiaal zo'n onschatbare waarde geven. In combinatie met metalen zoals aluminium om sterkere legeringen te vormen.

De kristalstructuur van siliciumcarbide bestaat uit hexagonale en rhombohedrale lagen met verplaatsbare atomen van Si en C die met elkaar verbonden zijn door sterke silicium-koolstofbindingen, terwijl hun gedisloceerde posities leiden tot polytypisme dat ingrijpende gevolgen heeft voor de fysische eigenschappen van SiC.

De wereldwijde markt voor siliciumcarbide breidt zich snel uit door een groeiende sector voor vermogenselektronica en olie- en gastoepassingen, waar de eigenschappen van siliciumcarbide voordelen bieden ten opzichte van traditionelere materialen. Bovendien is er meer vraag naar lichtgewicht materialen met verhoogde sterkte, stijfheid en hardheid bij bedrijven die op zoek zijn naar kostenbesparingen in productieprocessen.

Soortelijk gewicht

Siliciumcarbide heeft een soortelijk gewicht van 3,21 gram/cm3 en is daarmee een van de dichtste materialen ooit. Dankzij de hoge sterkte en brede bandkloof eigenschappen kan siliciumcarbide worden gebruikt voor het snijden van zowel harde als zachte materialen en is het ideaal voor elektronische toepassingen.

SiC is onbrandbaar, heeft een lage dampdruk, lost gemakkelijk op in hete alkaliën en ijzeroplossingen en is niet giftig voor dieren en mensen. Natuurlijk SiC kan gevonden worden in kimberliet of vulkanisch amfiboliet, terwijl synthetisch siliciumcarbide gemaakt kan worden door elementair silicium te laten reageren met koolstof, door deze twee materialen samen te smelten in een elektrische oven, voordat het tot deeltjes vermalen en gewassen wordt.

Veiligheid en gezondheid moeten altijd op de eerste plaats komen bij het werken met siliciumcarbide materialen, aangezien het inademen of inslikken van siliciumcarbide kan leiden tot longschade - daarom zijn de juiste veiligheidsmaatregelen zoals het dragen van beschermende brillen of gezichtsmaskers van het grootste belang om veilig te werken en de huid te wassen na het werken met deze stof.

Siliciumcarbide wordt vaak gebruikt als slijpmedium en biedt betrouwbare slijpprestaties op harde materialen zoals glas, keramiek en metalen. Bovendien biedt dit materiaal een uitzonderlijke breukbestendigheid bij hoge temperaturen terwijl het hittebestendig genoeg blijft voor het doorslijpen of lappen van harde materialen zoals marmer, porselein en hardmetaal.

Siliciumcarbide heeft veel gunstige fysieke eigenschappen, waaronder corrosiebestendigheid en slijtvastheid. Het heeft dezelfde hardheid als diamant, waardoor het een van de hardste materialen is die er bestaan. Bovendien is siliciumcarbide een uitstekende elektrische geleider met een brede bandkloof waardoor het bij hogere spanningen kan werken.

Door de uitstekende weerstand tegen corrosie en oxidatie wordt siliciumcarbide vaak gebruikt als een uitstekende grondstof voor de productie van fijne keramiek. Bovendien maakt de uitstekende weerstand het geschikt voor het maken van geavanceerde vuurvaste materialen en geavanceerd schuurgereedschap. Bovendien heeft siliciumcarbide een betere slijtvastheid dan gietijzer of rubber, waardoor het een ideaal materiaal is voor de productie van slijtvaste pijpen, pompen en cyclonen.

Thermische geleidbaarheid

Siliciumcarbide is een extreem hard, dicht materiaal met een hoge thermische geleidbaarheid door de concentratie van booronzuiverheden, puntdefecten en andere factoren - deze hoge thermische geleidbaarheid is te danken aan de sterke bindingen tussen koolstofatomen en siliciumatomen die de hoge thermische geleidbaarheid creëren. Deze eigenschappen maken siliciumcarbide geschikt voor harde bewerkingstoepassingen vanwege de uitstekende schokbestendigheid.

De chemische samenstelling van siliciumcarbide varieert afhankelijk van de verwerkings- en sintermethoden bij de productie, waaronder de kristallografische dichtheid die toeneemt bij sinteren; aluminium- en booradditieven die tijdens het sinteren worden toegevoegd, verhogen de sterkte van het gesinterde materiaal terwijl de mechanische eigenschappen afhangen van factoren zoals korrelgrootte/vorm zuiverheid leegteoriëntatie porositeit enz.

Bij kamertemperatuur gemeten sterktes van ongerept siliciumcarbide liggen tussen 4GPa en 4GPa; de CVD siliciumcarbide vezels nemen echter af bij verhitting boven 800°C door interfaciale reacties tussen wolfraam en de koolstofrijke mantel en koolstof. De radiale sterkte is lager dan de longitudinale treksterkte, wat suggereert dat oppervlaktedefecten de meeste faalspanning veroorzaken.

De thermische geleidbaarheid van siliciumcarbide hangt af van de boorconcentratie en kristallografische oriëntatie, waarbij hoogzuiver SiC een waarde heeft die qua thermische geleidbaarheid tussen zuiver diamant en koper in ligt. Bij polykristallijn SiC neemt de warmtegeleiding echter af door defecten zoals fasegrenzen, vaste oplossingen en roosterfouten; verschillende sinteradditieven en -technieken kunnen hun invloed op de warmtegeleiding van siliciumcarbide verminderen.

De schadelijke effecten van siliciumcarbide hangen af van hoe en waar het geproduceerd en gebruikt wordt. Sommige reacties zijn irritatie van de luchtwegen, longontsteking en maagklachten als mogelijk gevolg van de productie en het gebruik. Bovendien wordt siliciumcarbide door het Internationaal Instituut voor Kankeronderzoek beschouwd als waarschijnlijk (2a) of mogelijk (2b). Verder is ook vastgesteld dat siliciumcarbide mogelijk kankerverwekkend is en leidt tot veranderingen zoals fibrose en ontstekingen in het longweefsel.

Elektrische geleidbaarheid

Siliciumcarbide is een elektrisch halfgeleidend materiaal, wat betekent dat de toestand kan veranderen wanneer het wordt blootgesteld aan elektrische stroom of elektromagnetische velden, waarbij het verandert van een isolator in een geleider. Deze eigenschap maakt siliciumcarbide geschikt voor gebruik in elektronische apparaten die elektrische energiestromen versterken, schakelen, omzetten en regelen - dit omvat diodes, transistors, thyristors en FET's/MOSFET's en vele andere. De halfgeleidende kwaliteiten van siliciumcarbide in combinatie met de hardheid en slijtvastheid maken het een van de meest veelzijdige industriële materialen ter wereld.

Siliciumcarbide schijfjes (slice) hebben meestal een zeer lage elektrische geleidbaarheid op zichzelf; hun elektrische geleidbaarheid kan echter sterk worden verhoogd door geleidende tweede fasen toe te voegen, zoals koolstofrijke polytypes of nitridematerialen zoals yttriumoxide of zirkoniumdioxide die bijdragen aan de elektrische geleidbaarheid. Er vormt zich meestal een geleidende laag op het grensvlak tussen SiC-kristallen en dergelijke koolstofrijke of nitride matrixen.

Net als de thermische geleidbaarheid kan ook de elektrische geleidbaarheid van siliciumcarbide worden aangepast door specifieke oxideadditieven, sinteratmosfeer en verwerkingstechnieken te kiezen. Door bijvoorbeeld yttriumoxide toe te voegen neemt de elektrische geleiding aanzienlijk toe bij zuurstofvrij sinteren; vergelijkbare inerte gassen zoals stikstof of helium kunnen ook helpen om deze atmosfeer tijdens de verwerking aan te passen.

Het elektrisch geleidingsvermogen van Mullite-bonded siliciumcarbide kan worden aangepast in een zeer breed bereik tussen 105 en 107 Ohm*cm bij kamertemperatuur, waardoor het zelfs bij hoge temperaturen kan voldoen aan specifieke toepassingsgerelateerde geleidingsvermogens. Dit geeft flexibiliteit voor het ontwerpen van circuits. Mulliet-gebonden siliciumcarbide wordt veel gebruikt voor toepassingen bij hoge temperaturen vanwege de uitstekende warmtegeleidende eigenschappen. Voor toepassingen die hogere prestatieniveaus vereisen, kan echter een reactiebinding worden gebruikt om siliciumcarbide te produceren met een isolatorachtige kristalstructuur die a-SiC of Wurtzite-SiC wordt genoemd. Dit materiaal is ondoordringbaar voor zuurstof en bestand tegen inwendige oxidatie bij hoge temperaturen en wordt meestal bereid met chemische dampinfiltratie (CVI) of polymeerimpregnatie-pyrolyse (PIP), twee methoden die beide kosteneffectiever zijn dan de traditionele hete isostatische persprocessen.