Silicio karbido struktūra ir pritaikymas

Silicio karbidas, arba SiC, yra itin tvirta ir patvari medžiaga, pasižyminti unikaliomis elektrinėmis savybėmis.

Kristalinė anglis kristalizuojasi į tankiai supakuotas struktūras, kurios tarpusavyje sujungtos kovalentiniais ryšiais. Jos atomai sudaro du pirminius koordinacinius tetraedrus su keturiais anglies ir keturiais silicio atomais kiekviename kampe, kurie jungiasi per savo kampus, sudarydami daugiasluoksnes struktūras, vadinamas politipais.

Fizikinės savybės

Silicio karbidas yra labai kieta medžiaga, kurios kietumas pagal Moso skalę įvertintas 9-10 balų ir yra tarp aliuminio oksido ir deimanto. Silicio karbidas plačiai naudojamas kaip abrazyvinė medžiaga šiuolaikinėje lapidarystėje, šlifavimo ir mechaninio apdirbimo operacijose, kaip ugniai atsparus pramoninių krosnių pamušalas, pjovimo įrankiai, dilimui atsparios siurblių ir raketų variklių dalys, taip pat kaip dilimui atspari riedlenčių sukibimo juosta, taip pat karborundo spaudai - procesas, kai karborundo grūdeliais padengiama aliuminio plokštelė ir tada spausdinama ant popieriaus naudojant ritininius presus (Mountain).

Sintetiniai polikarbonatai gali būti gaminami sintetiniu būdu, naudojant reakcinio jungimo arba sukepinimo procesus, o pastarieji gali būti patobulinti pridedant 0,5% anglies arba 0,5% boro kaip sukepinimo pagalbinės medžiagos, kad būtų išvengta paviršiaus difuzijos ir pakeista grūdelių ribų energija (Mountain).

SiC yra įspūdinga pramoninė keramika, pasižyminti įvairiomis mechaninėmis savybėmis, todėl ji yra neįkainojama įvairiose pramonės srityse. Dėl didelio šiluminio laidumo ir mažo šiluminio plėtimosi greičio jis kaip niekada plačiai naudojamas sausumos elektrinių transporto priemonių pavaros sistemų galios elektronikoje. Be to, SiC elektrinės savybės taip pat galėtų pakeisti tradicinius silicio puslaidininkius aukštesnės įtampos taikymuose, pavyzdžiui, elektrinių transporto priemonių traukos keitikliuose ir įkrovimo stočių DC/DC keitikliuose.

Cheminės savybės

Silicio karbidą galima legiruoti azotu ir fosforu, kad susidarytų n tipo puslaidininkiai, o berilio, boro, aliuminio ir galio - p tipo puslaidininkiai. Silicio karbidas dėl savo glaudžiai surištos ir simetriškos struktūros yra ideali terpė dopingui.

Ugniai atspari medžiaga yra kieta, trapi ir laidi šilumai. Ji gali atlaikyti aukštą temperatūrą ir įtampą, o jos mažas šiluminio plėtimosi koeficientas suteikia privalumų, kai ji naudojama esant temperatūros svyravimams.

Nors natūralaus moisanito (Csi3SiO6) galima rasti meteorituose ir kimberlite, didžioji dalis šiandien parduodamo silicio karbido yra sintetinis. Jis būna įvairių formų - nuo žalių iki juodų kristalinių grūdelių ir šešių colių SiC plokštelių, naudojamų galios elektronikos įrenginiuose, ir yra chemiškai inertiškas, nes yra atsparus organinių rūgščių ir šarmų, išskyrus fluoro vandenilio ir sieros rūgštis, korozijai; netirpus vandenyje ar kituose tirpikliuose, tačiau tirpus išlydytuose šarmuose, pavyzdžiui, NaOH ar KOH.

Elektrinės savybės

Silicio karbidas (SiC) yra puslaidininkinė medžiaga, esanti tarp metalų (kurie praleidžia elektrą) ir izoliatorių (kurie jos nepraleidžia). SiC elektrinės savybės priklauso nuo temperatūros ir jo sudėtyje esančių priemaišų: žemoje temperatūroje jis veikia kaip izoliatorius, o aukštesnėje temperatūroje jo laidumas tampa pastebimas. SiC laidumą galima dar labiau pagerinti pridedant aliuminio, boro arba galio priemaišų, kurios padidina laisvųjų krūvininkų nešiklių kiekį ir paverčia SiC P tipo puslaidininkiu.

Molis dėl savo fizikinių ir cheminių savybių derinio yra patraukli medžiaga įvairiose pramonės šakose, pradedant keraminėmis plokštelėmis, didinančiomis atsparumą dilimui ir stabdžių stiprumą, baigiant dideliu šilumos laidumu ir mažu plėtimosi koeficientu, leidžiančiu jį naudoti aukštoje temperatūroje.

Be to, dėl unikalaus juostos tarpo jis gali veikti aukštesnėmis įtampomis ir dažniais nei tradicinė silicio elektronika, todėl yra puiki medžiaga maitinimo prietaisams, pavyzdžiui, diodams, tranzistoriams ir tiristoriams, gaminti.

Šiluminės savybės

Silicio karbidas (SiC) yra neorganinė keramika, pasižyminti puikiomis šiluminėmis savybėmis, todėl tinka įvairiems tikslams. Silicio karbidas dėl savo kietumo naudojamas įvairiose srityse: dilimui atspariose detalėse ir abrazyvuose; ugniai atspariose medžiagose ir keramikoje dėl atsparumo karščiui ir mažo šiluminio plėtimosi; taip pat elektronikoje, kur dėl savo gebėjimo praleisti elektrą esant ekstremalioms temperatūroms.

SiC yra veiksmingas šilumos laidininkas dėl deimantinės kubinės kristalinės struktūros, kurioje pusė atomų yra pakeisti siliciu, todėl jis pasižymi geresniu šilumos laidumu. SiC pasižymi efektyviu juostos tarpu, kuris leidžia elektronams lengvai judėti tarp valentinės ir laidumo juostų, palyginti su izoliatoriais, kuriems reikia pernelyg daug energijos, kad elektronai įveiktų šį tarpą tarp juostų.

SiC kristalinė struktūra gali būti įvairių formų, vadinamų politipais. Kiekvieną politipą sudaro sluoksniai, sudėti tam tikra eilės tvarka, dėl kurios susidaro unikalus atomų išsidėstymas - dėl to SiC pasižymi itin didele savitąja šiluma ir mažu šiluminio plėtimosi koeficientu.