Структура и приложения на силициевия карбид

Силициевият карбид или SiC е изключително здрав и издръжлив материал с някои уникални електрически свойства.

Кристалният въглерод може да бъде открит да кристализира в плътно подредени структури, които са ковалентно свързани помежду си. Неговите атоми образуват два първични координационни тетраедъра с по четири въглеродни и четири силициеви атома във всеки ъгъл, които се свързват чрез ъглите си, за да образуват политипни структури, наречени политипи.

Физични свойства

Силициевият карбид е изключително твърд материал, чиято твърдост по скалата на Моос е между 9 и 10 и се намира някъде по средата между алуминиевия оксид и диаманта. Силициевият карбид намира широко приложение като абразивен материал в съвременната лапидарна техника, при шлайфане и механична обработка, като огнеупорна облицовка на промишлени пещи, режещи инструменти, износоустойчиви части на помпи и ракетни двигатели, както и като износоустойчива лента за захващане на скейтбордове, а също и в карборундовата гравюра - процес на нанасяне на карборундови песъчинки върху алуминиева плоча и последващо отпечатване върху хартия с помощта на преси с търкалящи се легла (Mountain).

Синтетичните поликарбонати могат да се произвеждат синтетично чрез реакционно свързване или синтероване, като последното се подобрява чрез добавяне на 0,5% въглерод или 0,5% бор като помощно вещество при синтероване, за да се предотврати повърхностната дифузия и да се промени енергията на границата на зърното (Mountain).

SiC е впечатляваща индустриална керамика с разнообразни механични свойства, които я правят безценна в различни индустриални условия. С високата си топлопроводимост и ниските си стойности на термично разширение, използването му в силовата електроника за задвижващи системи на наземни електрически превозни средства е по-разпространено от всякога. Освен това електрическите характеристики на SiC биха могли да заменят традиционните силициеви полупроводници в приложения с по-високо напрежение, като например тягови инвертори за електромобили и DC/DC преобразуватели за зарядни станции.

Химични свойства

Силициевият карбид може да се легира с азот и фосфор, за да се образуват полупроводници от n-тип, а берилий, бор, алуминий и галий могат да се легират в него, за да се получат полупроводници от p-тип. Поради близката си и симетрична структура силициевият карбид представлява идеална платформа за легиране.

Огнеупорният материал е твърд, крехък и топлопроводим. Той може да издържа на високи температури и напрежения, а ниският му коефициент на термично разширение предлага предимства, когато се използва за приложения, подложени на температурни колебания.

Въпреки че естественият моисанит (Csi3SiO6) може да бъде открит в метеорити и кимберлит, повечето силициев карбид, продаван днес, е синтетичен. Той се предлага в много форми - от зелени до черни кристални зърна до шестинчови SiC пластини, използвани за приложения в силовата електроника, и е химически инертен, тъй като е устойчив на корозия от органични киселини и основи, с изключение на флуороводородна и сярна киселина; неразтворим е във вода или други разтворители, но е разтворим в разтопени основи като NaOH или KOH.

Електрически свойства

Силициевият карбид (SiC) е полупроводников материал, намиращ се между металите (които провеждат електричество) и изолаторите (които не провеждат електричество). Електрическите свойства на SiC зависят от температурата и примесите в състава му: при ниски температури той действа като изолатор, докато при по-високи температури проводимостта му става забележима. Проводимостта на SiC може да бъде допълнително подобрена чрез добавяне на примеси от алуминий, бор или галий, които увеличават свободните носители на заряд и превръщат SiC в полупроводник от P-тип.

Комбинацията от физични и химични свойства на глината я прави привлекателен материал в различни индустрии - от керамичните плочи, които увеличават устойчивостта на износване и здравината на спирачките, до високата й топлопроводимост и ниския й коефициент на разширение, които позволяват използването й в приложения с висока температура.

Освен това уникалната му лента на пропускане му позволява да работи при по-високи напрежения и честоти от традиционната електроника на силициева основа, което го прави идеален материал за захранващи устройства като диоди, транзистори и тиристори.

Топлинни свойства

Силициевият карбид (SiC) е неорганична керамика с превъзходни термични свойства, което я прави подходяща за много различни приложения. Силициевият карбид намира приложение в различни приложения - от износоустойчиви части и абразиви поради твърдостта си; в огнеупорни материали и керамика поради устойчивостта си на топлина и ниското си термично разширение; както и в електрониката, където способността му да провежда електричество при екстремни температури.

SiC е ефективен топлопроводник благодарение на диамантено-кубичната си кристална структура, в която половината от атомите са заменени със силиций, което осигурява отлична топлопроводимост. SiC се отличава с ефективна лента на пропускане, която позволява на електроните лесно да се движат между валентните и проводящите ленти, в сравнение с изолаторите, които изискват прекомерно количество енергия, за да могат електроните да преминат през тази междина между лентите си.

Кристалната структура на SiC може да приема различни форми, известни като политипове. Всеки политип се състои от слоеве, подредени в специфични последователности на подреждане, които водят до уникално разположение на атомите - това дава на SiC изключително висока специфична топлина и нисък коефициент на термично разширение.