تركيبة كربيد السيليكون

كربيد السيليكون (SiC) هو مركب اصطناعي شديد الصلابة من السيليكون والكربون يوجد بشكل طبيعي في حجر المويسانيت الجوهري وبدرجة أقل في النيازك الكوندريت الكربونية.

وينتج الكوارتز عن طريق صهر رمل السيليكا وفحم الكوك في درجات حرارة عالية في فرن كهربائي، ويوجد الكوارتز في 70 شكلًا بلوريًا مختلفًا على الأقل؛ حيث إن الشكل ألفا ذو البنية البلورية السداسية المشابهة للورتزايت هو الأكثر انتشارًا.

الخصائص الفيزيائية

كربيد السيليكون، الذي يشار إليه بشكل أكثر شيوعًا باسم كاربوروندوم، هو مركب سيراميك غير أكسدي يتمتع بصلابة استثنائية وخصائص مقاومة كيميائية تأتي في المرتبة الثانية بعد الماس. وعلاوة على ذلك، يقاوم كربيد السيليكون النقي الشكل الأكسدة في درجات حرارة أعلى من أجل توصيل كهربائي وتوصيل أكثر موثوقية.

يتم تسخين رمل السيليكا مع الكربون في فرن كهربائي لإنتاج سيكلور السيليكا. يمكن بعد ذلك فصل المادة البلورية الخضراء إلى السوداء المائلة إلى الزرقة المنتجة إلى درجات ذات خواص فيزيائية مختلفة: على سبيل المثال الدرجة المعدنية A لها طبقات خشنة، بينما البلورات الأكثر نعومة من الدرجة b تشكل هياكل أكثر سلاسة.

تُظهر هذه الأنواع المتعددة الطبقات من الهياكل متعددة الطبقات خصائص كهربائية وبصرية وحرارية مميزة. وتتألف روابطها الذرية من أربع ذرات سيليكون مرتبطة بأربع ذرات كربون في نمط مربع غير منتظم لتشكل أربع بلورات سداسية الشكل؛ وهذا يوفر خصائص أشباه الموصلات ذات فجوة نطاق واسعة. ويمكن أن يؤدي البثق أو الضغط المتساوي التثبيت على البارد إلى تشكيل هذه المواد على شكل قضبان أو أنابيب لاستخدامها كقضبان وأنابيب.

الخواص الكيميائية

كربيد السيليكون (SiC)، الذي يشار إليه بشكل أكثر شيوعًا باسم الكاربوروندوم، هو مركب كيميائي قوي من السيليكون والكربون مع خصائص أشباه الموصلات ذات فجوة نطاق واسعة. كما يشتهر كربيد السيليكون الحراري بطبيعته الحرارية، وهو معروف أيضًا بخصائص التوصيل الحراري العالية وخصائص التمدد الحراري المنخفضة التي تجعله مقاومًا كبيرًا ضد الصدمات الحرارية.

يتبلور كلوريد السيليكون البلوري في بنية متقاربة مع أربع ذرات سيليكون وأربع ذرات كربون مرتبطة في تناسق رباعي الأوجه، وله أكثر من 70 نوعًا متعدد الأوجه؛ ويوجد كلوريد السيليكون ألفا في أغلب الأحيان عند درجات حرارة أعلى من 2000 درجة مئوية مع بنية بلورية سداسية مشابهة للورتزيت. وفي الوقت نفسه، يحدث تعديل بيتا مع بنية بلورية من الزنكبليند تشبه الماس وتكوين السفاليريت عند درجات حرارة أقل.

الكاربوروندوم مادة نادرة للغاية في الطبيعة ولكنها عنصر أساسي في النيازك الغنية بالكربون في الفضاء. تم تصنيعه لأول مرة صناعياً في عام 1891 على يد إدوارد أتشيسون كجزء من عمله في إنتاج الماس الاصطناعي، وتم اكتشاف المادة في نهاية المطاف بشكل طبيعي في نيزك كانيون ديابلو في أريزونا في عام 1893 وسميت مويسانيت على اسم هنري مويسان الحائز على جائزة نوبل.

الخواص الميكانيكية

يمتاز كربيد السيليكون بسطح شديد الصلابة مع تصنيف مقياس موس 9 على مقياس موس، مما يجعله أقسى أنواع السيراميك غير الأكسيد وأحد أقسى المواد بشكل عام. إنه خيار ممتاز للمواد للتطبيقات التي تنطوي على التآكل الميكانيكي مثل المواد الكاشطة والحراريات بينما يتميز بخصائص حرارية جيدة تقاوم البيئات ذات درجات الحرارة العالية وكذلك الصدمات الحرارية.

ويحل السيليكون محل نصف ذرات الكربون، مما يوفر خصائص توصيل حراري محسّنة بسبب تشابه نصف القطر الذري بين السيليكون والكربون، مما يساعد على تقليل تشتت الفونونات.

يظهر كربيد السيليكون على شكل بلورات قزحية صفراء إلى خضراء إلى سوداء مزرقة تتلألأ مع التحلل عند درجة حرارة 2700 درجة مئوية. وعلى الرغم من عدم قابليته للذوبان في الماء، فإن كربيد السيليكون قابل للذوبان في القلويات المنصهرة مثل NaOH وKOH وكذلك في الحديد المنصهر، ويتم تحديد معامل يونج وصلابته من خلال القوام، والصدوع التراصية، وحجم الحبيبات وطبيعة حدود حبيباته.

الخصائص الكهربائية

تسمح طاقة فجوة النطاق العريضة لكربيد السيليكون بتحمل درجات حرارة وفولتية أعلى من السيليكون، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب أجهزة إلكترونية سريعة وموثوقة في الوقت نفسه. وعلاوة على ذلك، فإن قدرتها على تحمل مثل هذا الجهد لا تقدر بثمن في أنظمة بطاريات السيارات الكهربائية التي تقلل من الحجم والوزن من خلال التخلص من المحولات تمامًا.

تُعدّ مادة SiC مادة شائعة بسبب جمعها بين خصائص السيراميك وأشباه الموصلات، مما يساهم في تقدم التكنولوجيا الإلكترونية. وعلاوة على ذلك، ساهمت صلابته وقوته وتمدده الحراري المنخفض ومقاومته للتفاعل الكيميائي في زيادة شعبيته.

يتم إنشاء كربيد السيليكون عن طريق تسخين رمل السيليكا النقي مع الكربون في فرن كهربائي، مما يؤدي إلى تكوين سبائك من كل من الدرجات المعدنية والكاشطة المعروفة باسم a-SiC وb-SiC وفقًا للجودة والاستخدام المقصود. وبعد أن يتم تشكيل السبائك يتم تقطيعها إلى أحجام وأشكال مختلفة حسب الاستخدامات المرغوبة قبل مزجها بعناصر إضافية مثل الألومنيوم أو النيتروجين للحصول على الخصائص المطلوبة.