Zalety i zastosowania węglika krzemu

Węglik krzemu to imponujący materiał o wielu przydatnych właściwościach przemysłowych. Jego twarda, wytrzymała powierzchnia charakteryzuje się wyjątkową wytrzymałością i odpornością na ścieranie, oferując jednocześnie odporność na szok termiczny w podwyższonych temperaturach.

Przewodność SiC zależy od jego gęstości i składu, z opcjami domieszkowania, które obejmują azot lub fosfor do zastosowań typu n lub beryl, bor, aluminium lub gal jako opcje typu p do operacji typu p.

Jest to półprzewodnik

Węglik krzemu (SiC) to zaawansowany materiał półprzewodnikowy. Powstaje w wyniku połączenia krzemu i węgla w wysokich temperaturach, SiC jest twardym, wytrzymałym mechanicznie materiałem odpowiednim do narzędzi skrawających, ceramiki i metali wzmacniających; dodatkowo może być stosowany do budowy urządzeń elektronicznych, takich jak diody Schottky'ego i tranzystory, ze względu na jego przewodność cieplną i niską rozszerzalność cieplną; czyniąc SiC atrakcyjnym kandydatem do zastosowania w wyższych temperaturach niż tradycyjne półprzewodniki.

W przeciwieństwie do przewodników, które umożliwiają swobodny przepływ energii elektrycznej przez cały czas, półprzewodniki wymagają stymulacji prądem elektrycznym lub polem elektromagnetycznym w celu zainicjowania przewodnictwa. Proces ten, znany jako domieszkowanie, pozwala półprzewodnikom zyskiwać lub tracić elektrony, umożliwiając tym samym przepływ przez nie energii elektrycznej - w zależności od zastosowanego typu domieszki powstają różne rodzaje półprzewodników.

SiC składa się z atomów krzemu i węgla połączonych wiązaniami tetraedrycznymi, które nadają tej unikalnej strukturze sieciowej znaczną twardość, wytrzymałość mechaniczną, obojętność i odporność na wstrząsy. Co więcej, niska gęstość, wysoki moduł sprężystości i właściwości rozszerzalności cieplnej nadają temu materiałowi wyjątkową odporność na wstrząsy. Wreszcie, wysoka przewodność cieplna SiC i szeroka przerwa pasmowa umożliwiają mu pracę przy wyższych częstotliwościach i temperaturach niż konwencjonalne półprzewodniki.

Aby wyprodukować SiC, mieszanina czystego piasku krzemionkowego i sproszkowanego koksu jest podgrzewana w piecu elektrycznym za pomocą prądu elektrycznego przepływającego przez przewodnik węglowy. W wyniku reakcji między węglem i krzemionką powstaje węglik krzemu, który jest mielony do postaci proszku, a następnie rozdrabniany na drobne granulki do dalszego wykorzystania w warstwach odpornych na zużycie lub stapiany w duże bloki do dalszego przetwarzania lub krojony w cienkie plasterki do zastosowań w elektronice półprzewodnikowej.

SiC jest generalnie izolatorem elektrycznym, ale można go zmienić tak, aby działał jak półprzewodnik z pewnymi domieszkami. Domieszkowanie aluminium i borem tworzy półprzewodnik typu p; domieszkowanie azotem i fosforem tworzy półprzewodnik typu n; podczas gdy domieszkowanie cyną i galem zamienia go w nadprzewodnik.

Jest dobrym izolatorem

Węglik krzemu jest doskonałym izolatorem i wykazuje wyjątkową odporność na szok termiczny, charakteryzując się niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej i zachowując wytrzymałość w szerokim zakresie temperatur. Jako jeden z niewielu materiałów zdolnych wytrzymać ekstremalne temperatury, takie jak te występujące w reaktorach jądrowych, węglik krzemu jest niezastąpionym materiałem w branżach wymagających zastosowań wysokotemperaturowych.

Węglik krzemu, powszechnie nazywany karborundem, to minerał przemysłowy składający się z krystalicznego związku krzemu i węgla. Jako jeden z najczęściej używanych materiałów ceramicznych na świecie, karborund służy do różnych celów przemysłowych, w tym jako materiał ścierny, dodatek do stali i strukturalny materiał ceramiczny. Granulki lub proszek mogą być łączone poprzez spiekanie w twarde struktury ceramiczne. Węglik krzemu znalazł również zastosowanie w urządzeniach elektronicznych wymagających wysokich temperatur i napięć, takich jak diody elektroluminescencyjne (LED) lub detektory stosowane we wczesnych radiach.

Edward Goodrich Acheson po raz pierwszy stworzył karborund podczas próby produkcji sztucznego diamentu w 1891 roku; zamiast tego odkrył i nazwał nowy materiał "karborundem". Od tego czasu stał się on powszechnie produkowany na masową skalę do użytku jako materiały ścierne i dodatki do stali, a także do zastosowań ceramicznych i półprzewodnikowych.

Ten izolator składa się z sześciokątnych kryształów gęsto upakowanych atomami węgla. W temperaturze pokojowej ich przewodność wewnętrzna jest niezwykle wysoka ze względu na kationy obecne w ich strukturach krystalicznych, które tworzą różnicę potencjałów elektrycznych. Co więcej, ich gęsty skład zwiększa wibracje fononów w ich materiale, co zwiększa przewodność cieplną.

Odkrycie węglika krzemu przez Achesona doprowadziło do kilku innowacji, takich jak piec Achesona, który jest używany do dziś. Henri Moissan we Francji również stosował różne metody jego syntezy, na przykład rozpuszczając węgiel w ciekłej krzemionce lub topiąc mieszaniny węglika wapnia i krzemionki z koksem.

Węglik krzemu jest materiałem stałym o właściwościach izolatora; można go jednak również zmienić tak, aby wykazywał właściwości półprzewodnikowe po domieszkowaniu aluminium lub innymi pierwiastkami. Domieszkowanie zmienia polaryzację i wpływa na współczynnik Seebecka, który mierzy typ przewodnictwa.

Jest to dobry przewodnik

Węglik krzemu jest bardzo twardym, syntetycznym materiałem produkowanym od końca XIX wieku do stosowania w papierach ściernych i ściernicach. Dodatkowo, ten półprzewodnikowy półprzewodnik wykazuje dużą przewodność elektryczną, a także jest w stanie wytrzymać wysokie temperatury, będąc jednocześnie odpornym na utlenianie, dzięki czemu nadaje się do zastosowań chemicznych i jądrowych, oferując jednocześnie doskonałą wytrzymałość i odporność na ścieranie.

Piec Acheson służy do łączenia piasku kwarcowego i koksu naftowego jako źródeł węgla, a następnie starannie kontroluje ten proces w celu wytworzenia zielonych lub czarnych ziaren krystalicznego SiC o różnych poziomach czystości w zależności od tego, jak czyste były surowce. Zielony SiC zazwyczaj oznacza wyższy poziom czystości.

Węglik krzemu znacznie różni się od tlenku glinu tym, że jest znacznie twardszy i ma lepszą odporność na zużycie i korozję, doskonałe właściwości przewodnictwa cieplnego i niski współczynnik rozszerzalności cieplnej. Co więcej, węglik krzemu oferuje dobre właściwości mechaniczne i może być łatwo formowany w różne kształty, a jego wysoka przewodność elektryczna czyni go doskonałym materiałem do urządzeń elektronicznych.

Węglik krzemu w czystej postaci jest izolatorem elektrycznym; można jednak wyrazić jego półprzewodnictwo. Jego przewodnictwo zależy od szerokości pasma wzbronionego, które określa, czy zachowuje się jak izolator czy materiał półprzewodnikowy; szerokie pasmo wzbronione tworzy materiały, które zachowują się jak izolator, podczas gdy wąskie pasmo wzbronione prowadzi do materiałów półprzewodnikowych.

Ponieważ zawiera wysokie stężenie atomów węgla, jego doskonałe przewodnictwo elektryczne można przypisać ich ścisłemu wiązaniu między sobą i tworzeniu dwóch podstawowych tetraedrów koordynacyjnych z czterema atomami krzemu i czterema atomami węgla związanymi w ich rogach, łącząc je ze sobą za pomocą narożników, tworząc struktury typu Polytype, które oddziałują z elektronami w różny sposób i wykazują wiele fascynujących zjawisk.

Węglik boru (B4C) jest kolejnym doskonałym przewodnikiem elektrycznym. Dzięki doskonałej odporności na ścieranie i korozję, B4C jest szeroko stosowany jako materiał ścierny do ściernic, ogniotrwały materiał wykładzinowy do pieców przemysłowych, osłony termiczne do pieców, a także potencjalne zastosowania w zbrojach wojskowych lub kamizelkach kuloodpornych.

Jest dobrym przewodnikiem ciepła

Węglik krzemu jest jednym z najlepszych nietlenkowych ceramicznych przewodników cieplnych, charakteryzującym się zarówno wyjątkowo wysoką przewodnością cieplną, jak i umiarkowaną przewodnością elektryczną, dzięki czemu jest szeroko stosowany w przemyśle metalurgicznym, chemicznym i elektrycznym. Co więcej, ceramika ta ma doskonałe właściwości mechaniczne, pozostając jednocześnie wysoce odporną na korozję.

Węglik krzemu (SiC) jest materiałem nieorganicznym składającym się z krzemu i węgla połączonych ze sobą silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, co zapewnia mu właściwości półprzewodnikowe o szerokim paśmie przenoszenia i nadaje się do zastosowań elektronicznych ze względu na jego właściwości półprzewodnikowe o szerokim paśmie przenoszenia. SiC oferuje doskonałą przewodność cieplną, a także niski współczynnik rozszerzalności cieplnej - dwie zalety, które sprawiają, że nadaje się do zastosowań związanych z odpornością na szok termiczny.

Właściwości węglika krzemu sprawiają, że jest on doskonałym wyborem do zastosowań wymagających wysokich temperatur i trudnych warunków środowiskowych, w tym wykładzin pieców, cegieł, szyn prowadzących w zakładach obróbki metali, a także powłok ochronnych odpornych na ścieranie i erozję; ponadto jego odporność chemiczna, utlenianie i zużycie sprawiają, że nadaje się do przemysłu petrochemicznego.

Węglik krzemu charakteryzuje się wyjątkową przewodnością cieplną i niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej. Ponadto jego odporność na kwasy sprawia, że idealnie nadaje się do zastosowań wymagających fizycznej odporności na zużycie, takich jak dysze natryskowe, dysze śrutownicze i elementy cyklonów, z doskonałą odpornością na erozję i ścieranie, a także łatwością wytwarzania i imponującą wartością modułu Younga.

Produkcja węglika krzemu odbywa się w różnych formach, ale proces wiązania reakcyjnego wyróżnia się jako jedna z najszybszych i najbardziej opłacalnych metod wytwarzania węglika krzemu o wysokiej wytrzymałości. Polega ona na mieszaniu proszku SiC ze sproszkowanym węglem i plastyfikatorem w pożądanych kształtach, a następnie wypalaniu plastyfikatora przed napełnieniem wypalanego obiektu gazowym lub ciekłym krzemem. Wielokrotne przetwarzanie bez zmniejszania wytrzymałości - wszystkie cechy charakterystyczne trwałości każdego produktu!

Inne metody stosowane do produkcji porowatego SiC to elektrochemiczne wytrawianie masywnego SiC, karbotermiczna/magnezotermiczna redukcja kompozytów węglowo-krzemionkowych oraz nanoodlewanie przy użyciu polikarbosilanów; żaden z tych procesów nie okazał się jeszcze opłacalny komercyjnie.