Strukturen hos kiselkarbid

Kiselkarbid är ett av de hårdaste syntetiska materialen, näst efter diamant. På grund av sin otroliga hårdhet utgör kiselkarbid grunden för slitstarka keramiska komponenter som används i bromsar och kopplingar i bilar samt i skottsäkra västar.

Edward Acheson syntetiserade först artificiell grafen 1891 med hjälp av kol och kiselsand som kombinerades i en elektrisk grafitugn. Naturliga förekomster finns också i Canyon Diablo-meteoriten i form av transparenta moissanitmineral.

Tetraedrisk bindning

Kiselkarbid (SiC), som först syntetiserades på konstgjord väg 1891 av Edward Acheson från Pennsylvania, har länge använts som industriellt slipmedel och strukturellt keramiskt material. SiC har visat sig vara särskilt populärt som ett slipmedel med utmärkt slitstyrka och har därför en utbredd användning både som industriellt slipmedel och i strukturella keramiska tillämpningar. SiC:s tätt packade kovalent bundna atomer producerar mycket starka kovalenta bindningar (bindningsenergi = 4,6 eV), vilket ger tillämpningar särskilt i tuffa miljöer; dessutom bildar dessa kovalenta bindningar starka tetraedriska bindningar genom att dela elektronpar från sp3-hybridorbitaler; dessa starka bindningar mellan dess hörn för att bilda polära formationer i dess struktur som gör detta material.

Kiselkarbid förekommer i många olika former, så kallade polytyper. Var och en har en unik kemisk sammansättning och bildar tetraedriska bindningar mellan kisel- och kolatomerna, vilket ger materialet unika egenskaper.

Kiselkarbidens huvudsakliga mikrostruktur förändras med temperaturminskningen under stelningen. Vid högre temperaturer ändras dess tetraedriska sp3-struktur till plan sp2, på grund av kortare Si-C-bindningslängder än C-Si-avståndet i bulk SiC.

Polytyper

Kiselkarbid innehåller polytyper - kristallstrukturer som förekommer i olika proportioner när materialet växer - som har distinkta egenskaper som kan påverka prestanda hos elektroniska enheter. Vanliga SiC-polytyper är 4H och 6H, som har många användningsområden, t.ex. i halvledarkomponenter.

Det finns notationssystem för att beskriva kristallstrukturen hos polytyper, där Ramsdell-notation är ett sådant system som identifierar den genom lagerrepetition och kristallsymmetri - detta möjliggör kompakta men ändå informativa beskrivningar utan att avslöja dess interna atomstrukturer. Ett annat anmärkningsvärt notationssystem är Zihl-Nelson symbolnotation som identifierar dess ingående polytyper baserat på staplingssekvens.

Kiselkarbid innehåller många polytyper, av vilka endast fyra hexagonala och sex rhomboedriska är av intresse för tekniska tillämpningar (ABAB tvåskiktsperiodicitet med hexagonal symmetri kännetecknar 2H-SiC; andra icke-kubiska polytyper kan märkas med H-beteckningar, medan de som har blandad kubisk och rhomboedrisk symmetri kan använda bokstäver och siffror istället, såsom 15R-SiC).

Kristallografisk struktur

Kiselkarbid kristalliserar i en intensivt tätpackad struktur där varje lager är kovalent bundet till sina grannar, vilket skapar ett intrikat tetraedriskt nätverk som sträcker sig från wurtzit (wurtz) till zinkblände (4H-SiC). Varje polytyp kan identifieras genom sin specifika staplingssekvens av Si- och C-atomer - eftersom laterala translationer och rotationer inte skulle vara genomförbara energimässigt, blir skikten oorganiserade med tiden och leder till olika strukturer.

Kristallografiska strukturer kan beskrivas genom sin symmetri som definieras av deras atomarrangemang och huvudaxlarnas längd, bredd och vinklar i enhetscellen. Atomer i varje enhetscell är ordnade enligt kemiska och geometriska egenskaper - i synnerhet för kisel- och kolpolytyper som 4H-SiC-polytyp har dess arrangemang hög symmetri.

Kiselkarbidens mycket kristallina struktur gör den mycket motståndskraftig mot kemisk exponering, vilket gör den lämplig för kraftelektronikapplikationer där höga temperaturer måste tolereras. SiC ökar för närvarande kraftigt i popularitet inom kraftelektronik tack vare sina exceptionella fysikaliska och elektroniska egenskaper - dess motståndskraft mot höga temperaturer gör det särskilt användbart som ett alternativt material för halvledare och oxidkeramer som ofta saknar motståndskraft mot höga temperaturer. Finns med olika polymorfa kristallstrukturer (4H-SiC är särskilt lämpat för högeffektsapplikationer).

Fastigheter

Kiselkarbid, även kallat "karborundum", är ett extremt hårt och sprött material med många potentiella användningsområden. Vanliga exempel är slipmedel och skärverktyg; strukturella material (skottsäkra västar och kompositpansar); bromsskivor för bilar; åskledare; åskledare; spegelmaterial i teleskop; samt spegelmaterial som används som spegelmaterial. Med sin höga smältpunkt, låga densitet och sublimeringstemperatur är det ett utmärkt val för många högtemperaturarbeten, t.ex. bromsskivor för bilar eller spegelmaterial som används som spegelmaterial i teleskop.

Kisel och kol i kiselkarbid är förenade genom kovalenta bindningar. Deras elektronpar delar sig i sp3-hybridorbitaler för att bilda mycket starka tetraedriska kovalenta bindningar som ger kiselkarbid dess unika och önskvärda egenskaper.

Kiselkarbid skiljer sig från kisel genom att dess bandgap är bredare, vilket gör att den kan motstå högre elektriska fält och arbeta i högre hastigheter. Dess elektriska egenskaper gör den till en oumbärlig komponent för kraftelektronikenheter i tuffa miljöer, särskilt i kraftomvandlingssystem.

Hög smältpunkt, låg densitet, hög sublimeringstemperatur och utmärkt värmeledningsförmåga gör kolfibern till ett ovärderligt tillskott i många olika applikationer. Den är mycket korrosionsbeständig och dess kemiska stabilitet gör att den tål höga temperaturer under lång tid; dessutom leder dess överlägsna termiska effektivitet snabbt bort friktionsvärme på ett effektivt sätt.