Formel för kiselkarbid

Kiselkarbid (SiC) är en extremt hård syntetisk förening av kisel och kol som förekommer naturligt som ädelstenen moissanit och, i mindre utsträckning, i kolhaltiga kondritmeteoriter.

Kvarts framställs genom smältning av kiselsand och koks vid höga temperaturer i en elektrisk ugn och finns i minst 70 olika kristallformer; alfaformen med hexagonal kristallstruktur liknande Wurtzite är den mest förekommande.

Fysikaliska egenskaper

Kiselkarbid, vanligen kallad karborundum, är en keramisk förening av ickeoxider med exceptionell hårdhet och kemikaliebeständighet som endast överträffas av diamant. Dessutom motstår kiselkarbid i ren form oxidation vid högre temperaturer för mer tillförlitlig elektrisk ledningsförmåga och ledningsförmåga.

Värm kiselsand med kol i en elektrisk ugn för att producera SiC. Det gröna till blåsvarta, kristallina material som produceras kan sedan separeras i kvaliteter med olika fysiska egenskaper: till exempel har metallurgisk kvalitet A grova lager, medan slätare kristaller av kvalitet b bildar slätare strukturer.

Dessa polytyper av skiktade strukturer uppvisar distinkta elektriska, optiska och termiska egenskaper. Deras atombindningar består av fyra kiselatomer bundna med fyra kolatomer i ett oregelbundet kvadratiskt mönster som bildar fyra hexagonala kristaller; detta ger halvledaregenskaper med brett bandgap. Genom extrudering eller isostatisk kallpressning kan dessa material formas till stavar eller rör för användning som stavar och rör.

Kemiska egenskaper

Kiselkarbid (SiC), mer allmänt kallat karborundum, är en hård kemisk förening av kisel och kol med halvledaregenskaper med brett bandgap. SiC är eldfast till sin natur och är också känt för sin höga värmeledningsförmåga och låga värmeutvidgningsegenskaper som gör det mycket motståndskraftigt mot termisk chock.

Kristallin SiC kristalliserar i en tätpackad struktur med fyra kisel- och fyra kolatomer bundna i tetraedrisk koordination och har över 70 polytyper; alfa SiC finns oftast vid temperaturer över 2000 degC med hexagonal kristallstruktur som liknar Wurtzite. Under tiden sker betamodifiering med zinkbländande kristallstruktur som liknar diamant och sfaleritbildning vid lägre temperaturer.

Karborundum är ett extremt sällsynt ämne i naturen men ett stapelelement i kolrika meteoriter i rymden. Materialet syntetiserades först på konstgjord väg 1891 av Edward Acheson som en del av hans arbete med att framställa artificiella diamanter, men upptäcktes slutligen naturligt i Arizonas Canyon Diablo-meteorit 1893 och fick namnet moissanit efter nobelpristagaren Henri Moissan.

Mekaniska egenskaper

Kiselkarbid har en extremt hård yta med en Mohs-klassificering på 9 på Mohs-skalan, vilket gör det till den hårdaste ickeoxidkeramiken och ett av de hårdaste materialen överhuvudtaget. Det är ett utmärkt materialval för applikationer med mekaniskt slitage som slipmedel och eldfasta material samtidigt som det har goda termiska egenskaper som motstår miljöer med höga temperaturer samt termisk chock.

Kisel ersätter hälften av kolatomerna, vilket ger förbättrade värmeledningsegenskaper på grund av liknande atomradie mellan kisel och kol - vilket bidrar till att minska fononspridningen.

Kiselkarbid uppträder som gula till gröna till blåsvarta iriserande kristaller som sublimeras vid sönderdelning vid 2700degC. Även om SiC är olösligt i vatten är det lösligt i smälta alkalier som NaOH och KOH samt i smält järn och dess Young's modul och hårdhet bestäms av textur, staplingsfel, kornstorlek och korngränsernas beskaffenhet.

Elektriska egenskaper

Kiselkarbidens breda bandgap gör att den tål högre temperaturer och spänningar än kisel, vilket gör den lämplig för applikationer som kräver snabba men ändå tillförlitliga elektroniska enheter. Dessutom är förmågan att klara höga spänningar ovärderlig i batterisystem för elfordon där man kan minska både storlek och vikt genom att helt eliminera växelriktare.

SiC är ett populärt material tack vare sin kombination av keramiska egenskaper och halvledaregenskaper, vilket bidrar till den elektroniska teknikens framsteg. Dessutom har dess hårdhet, styrka, låga värmeutvidgning och motståndskraft mot kemiska reaktioner bidragit till dess ökade popularitet.

Kiselkarbid skapas genom att ren kiselsand värms med kol i en elektrisk ugn, vilket ger göt av både metallurgiska och slipande kvaliteter, a-SiC och b-SiC, beroende på kvalitet och avsedd användning. Efter att göt har formats skärs de ned till olika storlekar och former beroende på önskad applikation innan de blandas med ytterligare element som aluminium eller kväve för önskade egenskaper.