Формула за силициев карбид

Силициевият карбид (SiC) е изключително твърдо синтетично съединение на силиций и въглерод, което се среща в природата като скъпоценния камък моисанит и в по-малка степен във въглеродните хондритни метеорити.

Произведен чрез топене на кварцов пясък и кокс при високи температури в електрическа пещ, кварцът съществува в поне 70 различни кристални форми; най-разпространена е алфа-формата с хексагонална кристална структура, подобна на вурцит.

Физични свойства

Силициевият карбид, по-често наричан карборунд, е неоксидно керамично съединение с изключителна твърдост и химическа устойчивост, което отстъпва само на диаманта. Освен това силициевият карбид в чист вид е устойчив на окисляване при по-високи температури за по-надеждна електропроводимост и проводимост.

Загряване на силициев пясък с въглерод в електрическа пещ за получаване на SiC. Полученият зелен до синкаво-черен кристален материал може да бъде разделен на класове с различни физични свойства: например металургичният клас А има груби слоеве, докато по-гладките кристали от клас b образуват по-гладки структури.

Тези политипни слоести структури притежават характерни електрически, оптични и термични свойства. Атомните им връзки се състоят от четири силициеви атома, свързани с четири въглеродни атома в неправилна квадратна схема, образуваща четири хексагонални кристала; това осигурява полупроводникови свойства с широк диапазон на пропускане. Екструдирането или студеното изостатично пресоване могат да оформят тези материали в пръчки или тръби, които да се използват като пръчки и тръби.

Химични свойства

Силициевият карбид (SiC), по-често наричан карборунд, е твърдо химично съединение на силиций и въглерод с полупроводникови свойства с широк диапазон на пропускане. Огнеупорен по своята същност, SiC е известен и с високата си топлопроводимост и ниското си термично разширение, които го правят много устойчив на термични удари.

Кристалният SiC кристализира в структура с плътна опаковка с четири силициеви и четири въглеродни атома, свързани в тетраедрична координация, и има над 70 политипа; алфа SiC се среща най-често при температури над 2000 градуса по Целзий с хексагонална кристална структура, подобна на Вурцит. Същевременно бета модификацията с цинкблендова кристална структура, подобна на диаманта, и образуването на сфалерит се срещат при по-ниски температури.

Карборундът е изключително рядко вещество в природата, но е основен елемент в богатите на въглерод метеорити в космоса. За първи път изкуствено синтезиран през 1891 г. от Едуард Ачесън като част от работата му по производството на изкуствени диаманти, материалът в крайна сметка е открит в естествен вид в метеорита Каньон Диабло в Аризона през 1893 г. и е наречен моисанит на името на носителя на Нобелова награда Анри Моисан.

Механични свойства

Силициевият карбид има изключително твърда повърхност с оценка 9 по скалата на Моос, което го прави най-твърдата неоксидна керамика и един от най-твърдите материали като цяло. Той е отличен избор на материал за приложения, включващи механично износване, като абразиви и огнеупори, като същевременно се отличава с добри термични свойства, които издържат на високотемпературни среди, както и на термичен шок.

Силицият замества половината от въглеродните атоми, като осигурява по-добри свойства на топлопроводимост поради сходния атомен радиус на силиция и въглерода - това спомага за намаляване на разсейването на фононите.

Силициевият карбид се появява като жълти до зелени и синкаво-черни преливащи се кристали, които при разлагането си при 2700 градуса по Целзий изпъкват. Въпреки че е неразтворим във вода, SiC е разтворим в разтопени основи, като NaOH и KOH, както и в разтопено желязо, а модулът на Юнг и твърдостта му се определят от текстурата, нарушенията в подреждането, размера на зърната и естеството на границите на зърната.

Електрически свойства

Широката енергийна лента на силициевия карбид му позволява да издържа на по-високи температури и напрежения от силиция, което го прави подходящ за приложения, изискващи бързи и същевременно надеждни електронни устройства. Освен това способността му да издържа на такова напрежение е безценна в акумулаторните системи на електрическите превозни средства, които намаляват размера и теглото си, като премахват изцяло инверторите.

SiC е популярен материал поради комбинацията си от керамични и полупроводникови свойства, което допринася за развитието на електронните технологии. Освен това неговата твърдост, здравина, ниско термично разширение и устойчивост на химични реакции допринасят за нарастването на популярността му.

Силициевият карбид се създава чрез нагряване на чист кварцов пясък с въглерод в електрическа пещ, като се получават слитъци от металургични и абразивни класове, известни като a-SiC и b-SiC според качеството и предназначението. След формирането на слитъците те се нарязват на различни размери и форми в зависимост от желаните приложения, преди да бъдат смесени с допълнителни елементи като алуминий или азот за постигане на желаните характеристики.