De hoge smelttemperatuur van siliciumcarbide

Siliciumcarbide is een extreem harde en sterke niet-oxide keramiek met uitstekende eigenschappen bij hoge temperaturen, die veel wordt gebruikt in verschillende industrieën voor veeleisende toepassingen.

Fractografisch onderzoek van proefstukken getest in argon bij 1500-2100 degC toonde aan dat alleen de buitenste laag geoxideerd was; alleen de oxidelaag bevatte vervormde en langgerekte boorkorrels met omringende whiskers van WO3.

Thermodynamica

Siliciumcarbide (SiC) is een inert keramisch materiaal met veel gewenste industriële eigenschappen. Dit zijn onder andere hoge sterkte, slijtvastheid, weerstand tegen thermische schokken en thermische geleidbaarheid, maar ook bestand tegen zuren en alkaliën en bestand tegen temperaturen tot 1600 graden Celsius.

SiC kan zich gedragen als een elektrische isolator of halfgeleider, afhankelijk van het doteringsniveau en de samenstelling. Doping met stikstof of fosfor creëert een n-type geleiding, terwijl doping met boor, gallium of aluminium een p-type geleiding kan genereren.

Siliciumcarbide wordt tegenwoordig op grote schaal gebruikt in industrieën variërend van staalproductie, warmtebehandeling van metalen, productie van floatglas en fabricage van keramische en elektronische componenten tot composietbepantsering (zoals Chobham-pantsering) en de productie van kogelvrije vesten.

SiC smelt als functie van zowel druk als temperatuur, waarbij de smelttemperatuur door beide variabelen wordt bepaald. Bij lage drukken toont het fasediagram een incongruent smelten dat optreedt als een evenwichtsmengsel van 3C-kubische kristallen en 6H-hexagonale kristallen (zie [17]). Bij hogere drukken echter, hebben studies waargenomen congruent smelten tot vloeistof met een eenduidige smeltcurve zoals te zien in figuur 5. De langzame kinetiek is waarschijnlijk te wijten aan grote verschillen tussen atomaire radiusverschillen tussen koolstof en atomaire radiusverschillen tussen silicium (zie [18].

Druk

Siliciumcarbide heeft de krantenkoppen gehaald vanwege zijn halfgeleidende eigenschappen, met name zijn superieure spanningsbestendigheid in vergelijking met gewoon silicium. Bovendien kan siliciumcarbide ook worden gebruikt als schuurmiddel en in vuurvaste toepassingen zoals hoogwaardige remschijven voor auto's.

SiC wordt het meest aangetroffen als alfa siliciumcarbide (a-SiC), met een hexagonale kristalstructuur die lijkt op Wurtzite. De bètavorm kan echter ook bij lagere temperaturen worden gevormd, maar kent beperkte commerciële toepassingen. SiC staat bekend als een taai en slijtvast materiaal met diamantachtige eigenschappen dat bestand is tegen hitte en corrosie.

Siliciumcarbide wordt geproduceerd als poeder of kristal voor gebruik in verschillende vuurvaste, schurende en metallurgische toepassingen. In combinatie met grafiet wordt het vaak gebruikt om met koolstofvezel versterkt siliciumcarbide te produceren dat wordt gebruikt in hoogwaardige remschijven voor auto's.

Het Lelyproces is de meest gebruikte manier om siliciumcarbide te produceren. Hierbij wordt een mengsel van silicazand en steenkool (meestal coke) bij zeer hoge temperaturen verhit in een granieten smeltkroes met een koolstofgeleider als elektrode, terwijl elektrische stroom door de coke loopt, waardoor chemische reacties ontstaan die sublimatie bij lagere temperaturen en afzetting op grafietstaafjes bij koelere temperaturen mogelijk maken, wat resulteert in zuivere groene kristallen van SiC die bekend staan als moissaniet.

Diffusie

Siliciumcarbide (SiC) is een amorf kristallijn materiaal met een extreem hoog smeltpunt (2700oC). Door de sterke covalente bindingen tussen Si en C atomen vertoont Siliciumcarbide extreme hardheid en brosheid, terwijl het niet kan tippen aan de hardheid van diamant (9,5 Mohs schaal). Komt van nature voor als moissaniet, dat in 1893 werd ontdekt in de meteoorkrater Canyon Diablo in Arizona. Het kan ook kunstmatig worden vervaardigd met behulp van silicium-koolstofreductie in een elektrische oven bij hoge temperaturen.

Siliciumcarbide wordt veel gebruikt vanwege de uitzonderlijke fysische en chemische eigenschappen. Het heeft superieure elektrische eigenschappen, zoals een 10 keer hogere spanningsbestendigheid dan standaard silicium en het presteert beter in systemen met een spanning van meer dan 1000 V dan galliumnitride; bovendien is het bestand tegen thermische schokken en slijtage.

Als onderdeel van de pogingen om het isolerend vermogen van siliciumcarbide te verbeteren, wordt het vaak bedekt met een laag koolstof (bekend als de C-cap) om degradatie tijdens gloeiprocessen bij hoge temperatuur tegen te gaan. Helaas kan deze coating ook nadelige effecten hebben op de zelfdiffusie door de vorming van Frenkelparen aan te moedigen en immobiele antisieten te creëren (zie figuur 4 voor een illustratie van dit fenomeen). Figuur 4 toont vergelijking tussen un-capped en C-capped monsters gegloeid bij 1700oC gedurende een uur; 30 profiel vormen verschillen tussen monsters als gevolg van pinholes aanwezig op C-capped monsters gegloeid bij 1700oC gedurende een uur in beide monsters, dit blijkt uit verschillen tussen hun Arrhenius plots van zelfdiffusie curves (met vermelding van pinholes aanwezig op C-capped monster).

Temperatuur

Siliciumcarbide (SiC) is een niet-oxide keramisch materiaal met een opmerkelijke thermische stabiliteit en sterkte bij hoge temperaturen. SiC bestaat uit dicht op elkaar gepakte koolstof- en siliciumatomen die gebonden zijn door kristalroosterstructuren en heeft een zeer hoog smeltpunt - een eigenschap die het geschikt maakt voor industriële toepassingen waar extreme temperaturen voorkomen.

Zuiver SiC is geen uitstekende elektrische geleider, maar dopering met specifieke doteringsmiddelen verhoogt de geleidbaarheid aanzienlijk. Bovendien is SiC beter bestand tegen thermische schokken en kruipen dan andere keramische materialen voor hoge temperaturen, zoals aluminiumoxide of boorcarbide.

In de staalindustrie is 90% siliciumcarbide een integraal onderdeel van oxystaalovens. Het dient als brandstof om de verhouding schroot/ ruwijzer te vergroten en de kraantemperatuur te verhogen; verder helpt het staal te desoxideren en onzuiverheden uit het smeltbad te verwijderen - en het is een effectief middel om het koolstofgehalte in staalsmelten te beheersen.

SiC wordt niet alleen gebruikt in de staalindustrie; het heeft ook veel andere toepassingen. Het dient bijvoorbeeld als een efficiënte katalysator bij de productie van polyvinylchloride en andere organische verbindingen. Verder kan SiC worden gebruikt om aluminiumoxide en boorcarbiden te produceren en is het een integraal onderdeel van composietbepantsering zoals Chobham-pantsering.