مسحوق كربيد السيليكون

مسحوق كربيد السيليكون عبارة عن مادة كاشطة ومواد حرارية شديدة التحمل تستخدم في إنتاج الأجهزة الإلكترونية ذات درجة الحرارة العالية.

ينطوي الإنتاج على تسخين رمل السيليكا مع مصادر الكربون مثل فحم الكوك البترولي في فرن القوس الكهربائي لتكوين كل من كربيدات السيليكون السوداء والخضراء؛ حيث يحتوي السيليكو الأسود على شوائب حديدية، مما ينتج عنه ألوان داكنة في طلائه النهائي.

الخصائص

كربيد السيليكون (SiC) هو معدن صناعي يتكون من السيليكون والكربون وقد وجد استخدامًا واسع النطاق للاستخدام الصناعي كمادة كاشطة - من ورق الصنفرة وعجلات الطحن، إلى بطانات الأفران الصناعية وألواح السيراميك الواقية من الرصاص، وكذلك ركائز أشباه الموصلات للصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LEDs). يوجد SiC أيضاً بشكل طبيعي كمعدن المويسانيت. يمكن أيضًا العثور على SiC بشكل طبيعي كمعدن مويسانيت. يمكن العثور على SiC أيضاً بشكل طبيعي كمعدن مويسانيت. يحتوي SiC على العديد من التطبيقات بما في ذلك استخدامه كبطانات حرارية للأفران الصناعية وكذلك ألواح السيراميك المستخدمة مع السترات الواقية من الرصاص للصمامات الثنائية الباعثة للضوء - بل إنه يوجد بشكل طبيعي كمعدن المويسانيت.

ويتميز الألومنيوم بمقاومة ممتازة للتآكل، حيث يتحمل درجات حرارة تصل إلى 1400 درجة مئوية دون أن تتدهور قوته بشكل كبير. وعلاوةً على ذلك، تمتد مقاومته للتآكل إلى معظم الأحماض والأملاح والقلويات غير العضوية الشائعة؛ ومع ذلك قد يتآكل في ظروف معينة مثل عند ملامسته للفلوريدات الحمضية أو الأحماض الهيدروفلورية.

SiC هي مادة عازلة للكهرباء ذات قوة شد عالية وجاذبية نوعية منخفضة تتميز بخصائص مستقرة كيميائياً وعازلة للكهرباء على حد سواء، وتوفر ثباتاً كيميائياً جيداً بالإضافة إلى خصائص غير مغناطيسية. تذوب عند درجة حرارة 2080 درجة مئوية. تسمح بنية SiC المتقاربة المعبأة بتنسيق رباعي الأوجه بين ذرات السيليكون والكربون للحصول على نسبة عالية من القوة إلى الوزن وخصائص التوصيل الحراري.

يمكن صنع مساحيق كربيد السيليكون لتحقيق مستويات نقاء مختلفة وبنى بلورية وأحجام جسيمات مختلفة. ويمكن إنتاجها باستخدام عمليات مختلفة - الاختزال الحراري الكربوني من خلال عملية أتشيسون أو تحويل البوليمر وكذلك التفاعلات الكيميائية في المرحلة الغازية ذات درجة الحرارة العالية - مع طرق مختلفة تؤدي إلى إنشائها. وبمجرد تحضيرها، يمكن استخدام هذه المساحيق في تصنيع المواد الخزفية مثل الأشكال الحرارية للأفران الصناعية أو عناصر العزل الكهربائي للأجهزة الإلكترونية مثل المعالجات الدقيقة.

التطبيقات

يمكن استخدام مسحوق كربيد السيليكون في العديد من التطبيقات. وباعتباره مادة شديدة الصلابة ذات موصلية حرارية فائقة ومقاومة كيميائية، يتحمل كربيد السيليكون درجات الحرارة القصوى التي تتراوح بين الزجاج المنصهر حتى 1400 درجة مئوية (2,552 درجة فهرنهايت). وكثيرًا ما يوجد كربيد السيليكون كجزء من المواد الحرارية مثل السيراميك والزجاج وجدران أفران الأفران - وحتى عجلات الطحن وورق الصنفرة يتم تصنيعها باستخدام مادته المضافة. وبالإضافة إلى ذلك، يُستخدم كربيد السيليكون كمادة أساسية في تطبيقات أشباه الموصلات والإلكترونيات ذات درجة الحرارة العالية.

يمكن العثور على الكربون أيضًا في المواد المركبة مثل كربيد السيليكون المقوى بألياف الكربون (CFRC)، والذي يوجد عادةً في مكابح السيارات والسترات الواقية من الرصاص نظرًا لقوة الشد الممتازة التي يتمتع بها وقدرته على تحمل الصدمات عالية السرعة.

وغالباً ما يتم إنتاج السيليكا الملبدة باستخدام التلبيد بالضغط العالي عند درجات حرارة تصل إلى 11,000 درجة مئوية (1,815 درجة فهرنهايت). ويتميز المنتج النهائي ببنية محكمة للغاية تتكون من أربع ذرات سيليكون وأربع ذرات كربون مرتبطة معًا في ترتيب رباعي الأوجه وخصائص غير مغناطيسية ويمكنها مقاومة معظم المواد الكيميائية بما في ذلك الهيدروكربونات الأليفاتية والقلويات والأحماض العضوية والأملاح المنصهرة؛ ومع ذلك لا يمكنها تحمل العوامل المؤكسدة القوية مثل حمض الهيدروفلوريك وفلوريد البوتاسيوم.

التحضير

كربيد السيليكون هو مادة حرارية شديدة الصلابة تُستخدم في تطبيقات تشمل عجلات الطحن، وأحجار الشحذ، وأدوات القطع، والسفع الرملي، وقواطع المياه النفاثة والسيراميك. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يلعب دورًا أساسيًا في أفران درجات الحرارة العالية المستخدمة في حرق الزجاج والسيراميك في درجات حرارة عالية. متوفر بأحجام جسيمات مختلفة لاستخدامات محددة وكذلك بأشكال سوداء أو بيضاء - والأكثر شيوعًا هو الشكل الأول (البنية البلورية للورتزايت) والأخير (الزنك بليندي)

يتميز مسحوق a-SiC بهيكل بلوري سداسي الأضلاع ومعدل صلابة موس 7، ويمكنه تحمل الظروف القاسية مع درجة انصهاره العالية وموصلية حرارية قوية، ولا توجد به مشاكل سمية أو خصائص غير قابلة للذوبان في الماء أو الكحول. وعلاوة على ذلك، فإن مقاومته للأحماض العضوية والقلويات والأملاح والفلوريدات الحمضية تجعله مناسبًا للعديد من الاستخدامات في الصناعة والتطبيقات الهندسية.

وتتطلب التطبيقات المتقدمة إنتاج بلورات مفردة أكبر من ب-سيكلور السيليكون ثنائي الفينيل باستخدام طريقة ليلي، بحيث يمكن بعد ذلك تقطيعها إلى أحجار كريمة تُعرف باسم المويسانيت الاصطناعي. كما يمكن أيضًا ربط سيكلور السيليكون معًا باستخدام الراتنجات أو البوليمرات في ألياف تستخدم لتقوية المعادن والمواد الأخرى.

يتعلق الاختراع بعملية لتصنيع مساحيق ب-سيكلور ثنائي الكربون عن طريق خلط مصدر سيكلون ثنائي الكربون مع فائض من الكربون، وتسخين التركيبة، ثم ترشيحها وغسلها وتجفيفها. وبمجرد الانتهاء، يمكن سحق هذه المساحيق ثنائية سيكلوريد الكبريت ثنائي الكربون بسهولة من خلال عمليات لاحقة مثل التجفيف بالغسيل والترشيح.

التخزين

يُعد كربيد السيليكون أحد أكثر المواد صلابة في العالم، حيث ينافس الماس وكربيد البورون من حيث الصلابة. ويُستخدم في التطبيقات التي تتطلب خواص حرارية وميكانيكية مثل المواد المقاومة للتآكل والحراريات والسيراميك وأشباه الموصلات والمواد الكاشطة لأشباه الموصلات والتطبيقات المقاومة للتآكل؛ والطلاءات المقاومة للتآكل؛ ومقاومة الصدمات الحرارية؛ ومعدلات التمدد الحراري المنخفضة والتوصيل الكهربائي العالي، ويوفر كربيد السيليكون خصائص استثنائية من حيث القوة والمتانة والتوصيل الكهربائي مما يجعله خياراً متعدد الاستخدامات للمواد.

تعتمد الصناعات الفضائية بشكل كبير على مكونات مسحوق SiC التي تتحمل الحرارة والضغط الشديدين، بما في ذلك أنظمة المكابح المستخدمة في السيارات لتحسين الأداء مع تقليل تآكل الدوارات والأسطوانات. وفي الوقت نفسه، تستخدمه صناعات أشباه الموصلات في معدات معالجة الرقاقات للتحكم في الحرارة بشكل أكثر فعالية، وكذلك في ألواح السيراميك الواقية من الرصاص التي تحمي الجنود من الصدمات عالية السرعة.

يُصنع كربيد السيليكون الأسود في فرن مقاومة كهربائية في درجات حرارة عالية باستخدام رمل الكوارتز وفحم الكوك البترولي كمواد خام أولية. ويتميز بصلابة متوسطة بين الألومينا المنصهرة والماس الصناعي ويمكن استخدامه كمادة كاشطة عند معالجة المواد منخفضة قوة الشد مثل الحديد الزهر والمعادن غير الحديدية والصخور والجلود والمطاط. وعلاوة على ذلك، غالبًا ما يُستخدم كربيد السيليكون الأسود في إنتاج المواد الحرارية والمواد المضافة المعدنية.