درجة حرارة الانصهار العالية لكربيد السيليكون

كربيد السيليكون هو سيراميك غير أكسدي شديد الصلابة والقوة ويتميز بخصائص ممتازة في درجات الحرارة العالية، ويُستخدم على نطاق واسع في العديد من الصناعات للتطبيقات الصعبة.

أظهر الفحص الكسري للعينات المختبرة في الأرجون عند درجة حرارة تتراوح بين 1500 و2100 درجة مئوية أن الطبقة الخارجية فقط هي التي تأكسدت؛ حيث احتوى مقياس الأكسيد فقط على حبيبات البورون المشوهة والمطولة مع شعيرات محيطة من WO3.

الديناميكا الحرارية

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة خزفية خاملة تتميز بالعديد من الخصائص الصناعية المرغوبة. وتشمل هذه الخصائص المتانة العالية ومقاومة التآكل ومقاومة الصدمات الحرارية والتوصيل الحراري - فضلاً عن كونها مقاومة للأحماض والقلويات وقادرة على تحمل درجات حرارة تصل إلى 1600 درجة مئوية.

يمكن أن يعمل SiC إما كعازل كهربائي أو شبه موصل اعتمادًا على مستوى التخدير والتركيب. ويؤدي التطعيم بالنيتروجين أو الفوسفور إلى توليد موصلية من النوع n بينما يمكن أن يؤدي التطعيم بالبورون أو الغاليوم أو الألومنيوم إلى توليد موصلية من النوع p.

يُستخدم كربيد السيليكون على نطاق واسع اليوم، في صناعات تتراوح بين إنتاج الصلب والمعالجة الحرارية للمعادن وإنتاج الزجاج الطافي وتصنيع السيراميك ومكونات الإلكترونيات إلى الدروع المركبة (مثل دروع تشوبهام) وإنتاج السترات الواقية من الرصاص.

يذوب SiC كدالة لكل من الضغط ودرجة الحرارة، حيث يتم تحديد درجة حرارة انصهاره بواسطة كلا المتغيرين. عند الضغوط المنخفضة، يُظهر مخطط طوره ذوبانًا غير متطابق يحدث كمزيج متوازن من بلورة مكعبة 3C وبلورة سداسية 6H (انظر [17]). ولكن عند الضغوط الأعلى، لاحظت الدراسات أنه ينصهر بشكل متطابق ليشكل سائلًا مع منحنى ذوبان لا لبس فيه كما هو موضح في الشكل 5. ومن المحتمل أن تكون حركيته البطيئة بسبب الاختلافات الكبيرة بين اختلافات نصف القطر الذري للكربون مقابل اختلافات نصف القطر الذري للسيليكون (انظر [18].

الضغط

وقد تصدر كربيد السيليكون العناوين الرئيسية بسبب خصائصه شبه الموصلة وخاصةً أدائه المتفوق في مقاومة الجهد الكهربائي مقارنةً بالسيليكون العادي. وعلاوة على ذلك، يمكن أيضًا استخدام كربيد السيليكون كمادة كاشطة وفي التطبيقات الحرارية مثل أقراص المكابح عالية الأداء للسيارات.

يوجد كربيد السيليكون في أغلب الأحيان على شكل كربيد السيليكون ألفا (a-SiC)، مع هيكله البلوري السداسي الذي يشبه Wurtzite. ومع ذلك، يمكن أن يتشكل شكل بيتا أيضًا في درجات حرارة منخفضة ولكن له تطبيقات تجارية محدودة. يشتهر كربيد السيليكون بكونه مادة صلبة وقوية ذات صفات تشبه الماس ومقاومة للحرارة والتآكل.

يتم إنتاج كربيد السيليكون كمسحوق أو بلورة للاستخدام في مختلف التطبيقات الحرارية والكاشطة والمعدنية. وغالباً ما يستخدم مع الجرافيت لإنتاج كربيد السيليكون المعزز بألياف الكربون المستخدم في أقراص المكابح عالية الأداء للسيارات.

إن عملية ليلي هي الطريقة المفضلة لتصنيع كربيد السيليكون. وتتضمن هذه العملية تسخين خليط من رمل السيليكا والفحم (عادةً فحم الكوك) في درجات حرارة عالية جداً في بوتقة من الجرانيت مع موصل كربون يعمل كقطب كهربائي، بينما يمر التيار الكهربائي عبر فحم الكوك مما يؤدي إلى تفاعلات كيميائية تسمح بالتسامي في درجات حرارة منخفضة وترسب على قضبان الجرافيت في درجات حرارة أبرد مما ينتج عنه بلورات خضراء نقية من كربيد السيليكون تعرف باسم المويسانيت.

الانتشار

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة بلورية غير متبلورة ذات درجة انصهار عالية للغاية (2700 درجة مئوية). وبسبب الروابط التساهمية القوية بين ذرات Si وC، يُظهر كربيد السيليكون صلابة وهشاشة شديدة في حين لا يتطابق مع صلابة الماس (مقياس موس 9.5). يوجد بشكل طبيعي كالمويسانيت الذي تم اكتشافه في فوهة نيزك كانيون ديابلو في أريزونا عام 1893؛ أو يتم تصنيعه صناعياً باستخدام السيليكا-الكربون المختزل في فرن كهربائي عند درجات حرارة عالية.

يُستخدم كربيد السيليكون على نطاق واسع بسبب خصائصه الفيزيائية والكيميائية الاستثنائية. ويتميز بخصائص كهربائية فائقة مثل مقاومة الجهد الكهربائي أعلى 10 مرات من السيليكون القياسي وأداء أفضل في الأنظمة التي تعمل بأكثر من 1000 فولت من نيتريد الغاليوم؛ بالإضافة إلى أنه يظهر مقاومة للصدمات الحرارية وكذلك مقاومة التآكل.

كجزء من الجهود المبذولة لتعزيز قدرة كربيد السيليكون على العزل، غالبًا ما يتم تغطيته بطبقة من الكربون (المعروفة باسم C-cap) للتخفيف من التحلل أثناء عمليات التلدين في درجات الحرارة العالية. ولكن لسوء الحظ، قد يكون لهذا الطلاء أيضًا تأثيرات ضارة على الانتشار الذاتي من خلال تشجيع تكوين زوج فرينكل وخلق مضادات غير متحركة (انظر الشكل 4 لتوضيح هذه الظاهرة). ويعرض الشكل 4 مقارنة بين العينات غير المغطاة والعينات المغطاة بـ C الملدنة عند درجة حرارة 1700 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة؛ حيث يختلف شكل 30 شكلًا جانبيًا بين العينات بسبب وجود ثقوب في العينات المغطاة بـ C الملدنة عند درجة حرارة 1700 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة في كلتا العينتين، ويتضح ذلك من خلال الاختلافات بين مخططات أرهينيوس لمنحنيات الانتشار الذاتي (مما يشير إلى وجود ثقوب في العينة المغطاة بـ C).

درجة الحرارة

كربيد السيليكون (SiC)، هو مادة خزفية غير أكسيدية ذات ثبات حراري وقوة ملحوظة في درجات الحرارة المرتفعة. وتتكون هذه المادة من ذرات الكربون والسيليكون المعبأة بإحكام والمرتبطة ببنية شبكية بلورية، وتتميز هذه المادة بدرجة انصهار عالية جدًا - وهي سمة تجعلها مناسبة للاستخدامات الصناعية في درجات الحرارة القصوى.

لا يُعد سيكلور السيليكون النقي موصلًا كهربائيًا ممتازًا؛ ومع ذلك، فإن تطعيمه بمواد منشطة محددة يزيد من توصيله بشكل كبير. وعلاوة على ذلك، تتجاوز مقاومة الصدمات الحرارية ومقاومة الزحف في SiC المواد الخزفية الأخرى ذات درجات الحرارة العالية مثل الألومينا أو كربيد البورون.

في صناعة الصلب، يُعتبر كربيد السيليكون 90% جزءًا لا يتجزأ من أفران الأكسجين الأساسية (BOF). وهو يعمل كوقود لزيادة نسبة الخردة إلى المعدن الساخن ورفع درجة حرارة الصنبور؛ وعلاوة على ذلك فهو يساعد على إزالة أكسدة الصلب مع إزالة الشوائب من حوض الصهر - فضلاً عن كونه وسيلة فعالة للتحكم في مستويات محتوى الكربون في ذوبان الصلب.

لا يُستخدم SiC في صناعة الصلب فحسب، بل له العديد من التطبيقات الأخرى أيضًا. فعلى سبيل المثال، يُستخدم كمحفز فعال في إنتاج كلوريد البوليفينيل وكذلك المركبات العضوية الأخرى. وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام كلوريد السيليكون في إنتاج الألومينا وكربيدات البورون؛ وعلاوة على ذلك، فهو جزء لا يتجزأ من الدروع المركبة مثل دروع تشوبهام.