Свойства и применение карбида кремния

Карбид кремния (SiC) - одно из самых твердых известных веществ, поэтому он идеально подходит для создания керамических блоков, которые защищают от пуль или уплотняют насосы, работающие на высоких скоростях.

Порошок сажи используется в качестве абразивного материала, а также может быть допирован, чтобы стать полупроводником, что делает его полезным в электронных устройствах, усиливающих или переключающих сигналы.

Физические свойства

Карбид кремния - это твердая, прочная неоксидная керамика, обладающая множеством полезных свойств, которые делают ее пригодной для различных промышленных применений. Он может выдерживать экстремальные температуры, обладая при этом отличной теплопроводностью. Кроме того, карбид кремния является одним из самых твердых синтетических материалов (по твердости по шкале Мооса он уступает только алмазу). Кроме того, его характеристики разрушения делают его пригодным для использования в абразивных материалах и шлифовальных кругах, а его полоса пропускания находится где-то посередине между изоляторами и проводниками - свойства, которые делают карбид кремния идеальным для таких применений, как шлифовальные круги.

В отличие от других полупроводников с широкой полосой пропускания, таких как кремний и арсенид галлия, карбид кремния может быть изготовлен в виде нескольких политипов для легирования с проводимостью как p-типа, так и n-типа, что делает его отличной альтернативой кремнию для энергетических устройств.

Хотя на Земле карбид кремния встречается редко, его можно найти в космосе и метеоритах. Метеорит Мерчисон содержит кристаллы бета-полиморфного карбида кремния, что позволяет исследователям проследить его метеоритную историю. Карбид кремния также использовался в качестве пуленепробиваемой брони благодаря своей чрезвычайной труднопробиваемости; керамические блоки из этого вещества могут выдерживать множество выстрелов без разрушения под огнем боеприпасов - это самый твердый материал из керамики!

Химические свойства

Карбид кремния, чаще называемый карборундом, представляет собой выдающуюся неоксидную керамику, обладающую множеством полезных свойств. Карборунд давно используется в качестве абразивного материала в таких изделиях, как наждачная бумага и шлифовальные круги, но карбид кремния также является основой огнеупорной футеровки промышленных печей, а также термоструктурных компонентов газовых турбин и энергетических установок - не говоря уже о том, что это чрезвычайно твердый материал, который выдерживает высокие температуры, не подвергаясь окислительному разрушению.

По твердости 9,5 по шкале Мооса он уступает только алмазу. Наряду с прочностью, этот материал обладает отличной теплопроводностью и работает как полупроводник. Кроме того, его плотность позволяет использовать его в качестве абразива и конструкционного элемента.

В целом SiC устойчив к истиранию, однако свободные частицы SiC могут иногда царапать его поверхность и истирать ее. Кроме того, карбид кремния может корродировать под воздействием некоторых кислот, щелочей и углеродистого шлака, образующегося в процессе газификации угля.

SiC известен своей исключительной стойкостью к окислению среди других огнеупорных материалов. Благодаря пассивирующему слою диоксида кремния, который предотвращает образование ржавчины, SiC является отличным материалом для использования в футеровках печей, а также в износостойких компонентах, таких как уплотнения насосов. Кроме того, SiC обладает исключительными характеристиками при работе с высоким напряжением; его сопротивление напряжению в 10 раз выше, чем у обычного кремния.

Тепловые свойства

Карбид кремния отличается твердостью, низким модулем упругости при комнатной температуре и умеренным тепловым расширением, высокой теплопроводностью и отличной устойчивостью к окислению, коррозии и нейтронному облучению. Кроме того, он может похвастаться невероятными электрическими свойствами; по устойчивости к напряжению он превосходит даже системы на основе нитрида галлия - более 1000 В.

Карбид кремния в чистом виде служит электрическим изолятором, однако легирование азотом или фосфором превращает его в полупроводник n-типа, а легирование алюминием, бором и бериллием создает полупроводники p-типа - эти легированные кристаллы карбида кремния могут быть использованы в таких электрических устройствах, как резонаторы и транзисторы.

Карбид кремния (SiC) используется в конструкционной керамике, такой как подшипники насосов, клапаны, пескоструйные форсунки и экструзионные фильеры, благодаря своей прочности, твердости, долговечности, высокой температуре плавления и хорошей химической и термоударной стойкости. Благодаря исключительным свойствам этого универсального материала, таким как прочность, твердость, долговечность, высокая температура плавления, хорошая устойчивость к химическим и термическим ударам, его можно использовать в космических аппаратах (миссия BepiColombo на Меркурий и блоки солнечных батарей с блокирующими SiC-диодами, непосредственно подвергающимися воздействию космических условий. SiC-диоды также являются отличным выбором для батарей электромобилей благодаря своей высокой устойчивости к напряжению, которая выдерживает многократные циклы заряда/разряда без выхода из строя - что делает этот материал чрезвычайно популярным среди инженеров!

Механические свойства

Карбид кремния - один из самых твердых материалов на Земле. Настолько твердый, что для его резки требуются лезвия с алмазными наконечниками. Но этот плотный и прочный материал также отлично подходит для изготовления абразивных материалов, режущих инструментов, огнеупорной футеровки и износостойких компонентов промышленных печей - не забывайте о его устойчивости к высоким температурам!

Алюминий обладает превосходными механическими свойствами, в том числе способностью принимать различные формы. Кроме того, его превосходная химическая стабильность позволяет сваривать его с другими материалами, включая сталь, керамику и бетон. Кроме того, алюминий поддерживает гетерогенные катализаторы благодаря своей превосходной химической стабильности.

Уникальное сочетание физических, химических и термических свойств карбида кремния делает его важнейшей технологией. Он уже используется в различных приложениях, таких как электромобили и солнечные инверторы, а его сопротивление напряжению выделяет его среди конкурентов, поскольку оно в десять раз выше, чем у материалов на основе кремния и нитрида галлия.

Углеродное волокно инертно и устойчиво к большинству кислот, щелочей и солей, за исключением фтористоводородной кислоты, что позволяет использовать его на воздухе при температурах до 2700 градусов Цельсия для таких целей, как огнеупорная футеровка в печах для расплавленного металла или высокотемпературных нефтехимических печах, а также для изготовления пуленепробиваемой брони, поскольку твердые керамические блоки трудно пробить пулями.