Silicijev karbid Lastnosti in uporaba

Silicijev karbid (SiC) je ena najtrših znanih snovi, zato je idealen za izdelavo keramičnih blokov, ki zagotavljajo zaščito pred streli ali tesnijo črpalke, ki delujejo pri visokih hitrostih.

Črni ogljik v prahu se proizvaja kot abrazivni material, lahko pa ga tudi dopiramo, da postane polprevodnik, zato je uporaben v elektronskih napravah, ki ojačujejo ali preklapljajo signale.

Fizikalne lastnosti

Silicijev karbid je trda, trajna neoksidna keramika s številnimi zaželenimi lastnostmi, zaradi katerih je primerna za številne industrijske aplikacije. Odporen je na ekstremne temperature in se ponaša z odlično toplotno prevodnostjo. Poleg tega je silicijev karbid eden najtrših sintetičnih materialov (po Mohsovi trdoti je drugi za diamantom). Poleg tega je zaradi svojih lomnih lastnosti primeren za abrazivne aplikacije in brusilna kolesa, njegova pasovna vrzel pa je nekje vmes med izolatorji in prevodniki - lastnosti, zaradi katerih je silicijev karbid idealen za uporabo, kot so brusilna kolesa.

V nasprotju z drugimi polprevodniki s široko pasovno vrzeljo, kot sta silicij in galijev arzenid, je mogoče silicijev karbid izdelati v več poltipov za dopiranje s prevodnostjo p-tipa ali n-tipa, zaradi česar je odlična alternativa siliciju za energetske naprave.

Silicijev karbid je na Zemlji sicer redek, vendar ga je mogoče najti v vesolju in meteoritih. Meteorit Murchison vsebuje kristale beta-polimorfnega silicijevega karbida, ki raziskovalcem omogočajo sledenje njegovi meteorski zgodovini. Silicijev karbid se zaradi izredno težkega prodiranja uporablja tudi kot neprebojni oklep; keramični bloki iz te snovi lahko zdržijo več strelov, ne da bi se pod streli streliva razbili - gre za najtrši material iz keramike!

Kemijske lastnosti

Silicijev karbid, pogosteje imenovan karborundum, je izjemna neoksidna keramika s številnimi zaželenimi lastnostmi. Karborund se že dolgo uporablja kot abrazivni material v izdelkih, kot so brusni papir in brusilni kolut, vendar je silicijev karbid tudi osnova ognjevzdržnih oblog industrijskih peči in toplotnih strukturnih komponent v plinskih turbinah in sistemih za proizvodnjo električne energije - da ne omenjamo, da je izjemno trd material, ki vzdrži visoke temperature brez oksidacijskih poškodb.

Po Mohsovi lestvici trdote, ki znaša 9,5, je na drugem mestu za diamantom. Poleg tega, da je ta material trd, se ponaša z odlično toplotno prevodnostjo in deluje kot polprevodnik. Poleg tega je zaradi svoje gostote primeren za uporabo kot abrazivni in strukturni element.

SiC je na splošno odporen proti obrabi, vendar lahko prosti delci SiC občasno opraskajo njegovo površino in jo obrabijo. Poleg tega lahko silicijev karbid korodira, če je izpostavljen nekaterim kislinam, lužinam in žlindri iz procesov uplinjanja premoga.

SiC je med drugimi ognjevzdržnimi materiali znan po izjemni odpornosti na oksidacijo. Zaradi pasivne plasti silicijevega dioksida, ki preprečuje nastajanje rje, je SiC odličen material za uporabo v oblogah peči in komponentah, odpornih proti obrabi, kot so tesnila črpalk. Poleg tega je SiC izjemno zmogljiv pri visokonapetostnih aplikacijah; ponaša se z 10-krat večjo napetostno odpornostjo kot običajni silicij.

Toplotne lastnosti

Silicijev karbid odlikujejo trdota z nizkim modulom elastičnosti pri sobni temperaturi in zmernim toplotnim raztezkom, visoka toplotna prevodnost ter odlična odpornost proti oksidaciji, koroziji in nevtronskemu obsevanju. Poleg tega se ponaša z neverjetnimi električnimi lastnostmi; z napetostno odpornostjo, ki presega celo sisteme iz galijevega nitrida z več kot 1000 V.

Silicijev karbid v čisti obliki je električni izolator, vendar ga z dodajanjem dušika ali fosforja spremenimo v polprevodnik tipa n, z dodajanjem aluminija, bora in berilija pa v polprevodnik tipa p - ti kristali silicijevega karbida se lahko nato uporabijo v električnih napravah, kot so resonatorji in tranzistorji.

Silicijev karbid (SiC) se zaradi svoje trdnosti, trdote, trajnosti, visokega tališča ter dobre odpornosti na kemične in toplotne udarce uporablja v strukturni keramiki, kot so ležaji črpalk, ventili, injektorji za peskanje in stiskalnice. Zaradi izjemnih lastnosti tega vsestranskega materiala - kot so trdnost, trdota, trajnost, visoko tališče, dobra odpornost proti kemičnim in toplotnim šokom, uporaba v vesoljskih vozilih (misija BepiColombo na Merkur in bloki sončnih panelov z blokirnimi diodami SiC, ki so neposredno izpostavljeni vesoljskim razmeram. Diode SiC so odlična izbira tudi za baterije električnih vozil zaradi velike napetostne odpornosti, ki brez okvare prenesejo ponavljajoče se cikle polnjenja/razreševanja - zaradi česar je ta material med inženirji izjemno priljubljena izbira!

Mehanske lastnosti

Silicijev karbid je eden najtrših materialov na Zemlji. Tako trd, da so za njegovo rezanje potrebna rezila z diamantnimi konicami. Vendar je ta gost in močan material tudi odlična izbira za abrazivna sredstva, rezalna orodja, ognjevzdržne obloge in obrabno odporne komponente v industrijskih pečeh - ne smemo pozabiti na njegovo odpornost na visoke temperature!

Aluminij ima odlične mehanske lastnosti, vključno z možnostjo oblikovanja v različne oblike. Poleg tega njegova izjemna kemijska stabilnost omogoča varjenje z drugimi materiali, vključno z jeklom, keramiko in betonom. Poleg tega aluminij zaradi svoje odlične kemijske stabilnosti podpira heterogene katalizatorje.

Silicijev karbid je zaradi edinstvene kombinacije fizikalnih, kemičnih in toplotnih lastnosti ključna tehnologija. Uporablja se že v različnih aplikacijah, kot so električna vozila in pretvorniki sončne energije, zaradi svoje napetostne odpornosti pa izstopa med konkurenco, saj je desetkrat višja od materialov iz silicija in galijevega nitrida.

Ogljikova vlakna so inertna in odporna na večino kislin, lugov in soli, razen fluorovodikove kisline, zato so primerna za izpostavljenost zraku pri temperaturah do 2700 stopinj Celzija za uporabo, kot so ognjevarne obloge v pečeh za taljene kovine ali petrokemičnih pečeh pri visokih temperaturah in neprebojni oklepi zaradi trdih keramičnih blokov, skozi katere krogle težko prodrejo.