Hustota karbidu křemíku

Karbid křemíku, častěji označovaný jako karborundum nebo SiC, je tvrdý keramický materiál s mnoha aplikacemi. Tato všestranná látka slouží jako brusivo, má širokopásmové polovodičové vlastnosti a lze z ní vyrábět i konstrukční keramické prvky.

Výroba zahrnuje reakci a pyrolýzu polysiloxanů pod tlakem, rozemletí do práškové formy, spékání do pevných tvarů a následné mletí pro konečné mikrostrukturní tvarování. Každý krok hraje nedílnou roli při výrobě tohoto finálního materiálu s různými výsledky v závislosti na použitých metodách tváření, které mají významný vliv na mikrostrukturu.

Teoretická hustota

Husté složení karbidu křemíku hraje klíčovou roli v jeho schopnosti odolávat chemickému, tepelnému a mechanickému namáhání. Díky vynikající tvrdosti a tepelné vodivosti je karbid křemíku vynikající volbou materiálu pro vysoce výkonné a vysoce namáhané aplikace.

Hustší materiály jsou obvykle odolnější proti korozi a opotřebení. Kromě toho díky nízké míře roztažnosti a smršťování lépe odolávají extrémním teplotám, což je ideální pro elektrické a plynové systémy.

SiC je také vysoce odolný vůči záření a má v porovnání s jinými polovodiči neobvykle velkou pásmovou mezeru, což mu umožňuje pracovat při mnohem vyšších teplotách, napětích a frekvencích než jeho kolegové. SiC se proto používá v celé řadě elektronických a průmyslových aplikací, včetně výroby energie, leteckého a automobilového průmyslu.

Dosažení vysokých hustot SiC může být u velkých komponent náročné. Díky technologii rampové komprese je však nyní možné dosáhnout rovnoměrné hustoty až 98% teoretické hustoty. Proces zahrnuje vytvoření homogenní disperze práškové směsi submikronové velikosti sestávající převážně z karbidu křemíku s přísadou obsahující bór; poté se tato prášková směs tvaruje do zelených těles a následně se spéká při teplotě 1900-2100 stupňů C za podmínek řízené atmosféry.

Přísady obsahující bór by se měly přidávat během míchání prášku v množství odpovídajícím jednomu hmotnostnímu dílu elementárního bóru na 100 dílů karbidu křemíku, aby se dosáhlo bezpečného zhutnění bez segregace na hranicích zrn.

Fyzikální hustota

Karbid křemíku (C-Si) je umělý materiál složený z uhlíku (C) a křemíku (Si). Má druhou nejtvrdší Mohsovu tvrdost po karbidu boru (9) a nabízí výjimečnou pevnost, odolnost proti opotřebení a korozi; ve skutečnosti dokonce vydrží působení kyseliny fluorovodíkové a sírové, aniž by zkorodoval - navíc ho nerozpustí ani voda, většina chemikálií včetně zásad! Karbid křemíku je díky své všestrannosti jako technický materiál oblíbený i mezi vědci.

Vzhledem k tomu, že šmirgl odolává vysokorychlostním řezacím a brusným operacím a používá se i pro abrazivní tryskání a obrábění, je díky své trvanlivosti a cenové výhodnosti široce využíván pro moderní lapidární práce. Kromě toho slouží jako důležitá surovina při výrobě brusných a lešticích směsí.

Karbid křemíku se stal základním materiálem kosmických technologií díky své mimořádné trvanlivosti a odolnosti vůči radiaci. Zrcadla vyrobená z karbidu křemíku se proto stala volbou pro několik největších teleskopů, jako jsou mise Herschel a BepiColombo, nebo mohou být dokonce zhotovena do pevných rámů, které odolávají teplotám vyskytujícím se na Venuši a úrovním záření, které překračují očekávání.

Nedávné experimentální poznatky ukazují, že a-SiC je ve své fázi B1 stabilní v širokém rozsahu podmínek, které odpovídají předpokládaným podmínkám v plášti exoplanet bohatých na uhlík, na rozdíl od jeho chování na Zemi, kde se rychle rozkládá na oxid křemičitý a kyslík.

Chemická hustota

Karbid křemíku, častěji označovaný jako SiC, je chemická sloučenina složená z křemíku (atomové číslo 14) a uhlíku (atomové číslo 6). Má opalizující zelený až modročerný vzhled s nehořlavými vlastnostmi; jeho hustota je 3,21 g na cm3.

Karbid křemíku se v omezeném množství přirozeně vyskytuje v meteoritech, ložiscích korundu a kimberlitu; většina karbidu křemíku používaného v elektronických zařízeních se však vyrábí synteticky. Edward Acheson poprvé synteticky syntetizoval karbid křemíku v roce 1891, když se pokoušel vytvořit umělé diamanty zahříváním hlíny a práškového koksu v elektrické obloukové peci; přitom si všiml jasně zelených krystalů, které vypadaly podobně jako diamant, připojených k uhlíkovým elektrodám, a pojmenoval tyto krystaly “moissanit” podle druhu kamene, kterému se podobaly.

SiC je polovodičový materiál s extrémně širokou pásmovou mezerou, což mu umožňuje pracovat při vyšších teplotách a napětích než jiným polovodičovým materiálům. Díky své vynikající tepelné vodivosti rychle odvádí teplo a jeho hustá krystalická struktura zajišťuje vynikající odolnost proti opotřebení - ideální pro aplikace, jako jsou řezné nástroje.

Laboratoře EAG mají rozsáhlé zkušenosti s analýzou SiC pomocí objemových i prostorově rozlišených analytických technik. SiC je mimořádně užitečný materiál pro výrobu polovodičů, protože může být dopován různými prvky, které mění jeho elektrotermické vlastnosti. Zajištění koncentrace a prostorového rozložení dopantů při současné eliminaci nežádoucích kontaminantů je při vytváření vysoce kvalitních polovodičových výrobků prvořadé.

Tepelná hustota

Karbid křemíku je extrémně hutný materiál a jedna z nejtvrdších dostupných látek, která jako keramický materiál poskytuje vynikající odolnost proti korozi, což by mohlo omezit aktivní chladicí systémy v elektrických vozidlech.

Karbid křemíku (SiC) je kovalentně vázaná světle šedá pevná látka s relativní tvrdostí diamantu na Mohsově stupnici. Žáruvzdorné materiály s těmito vlastnostmi jsou ideální pro použití, protože SiC má vysokou teplotu tání, tepelnou vodivost a nízkou tepelnou roztažnost.

Karbid křemíku může být dopován dusíkem nebo fosforem, čímž vznikne polovodič typu n, nebo může být dopován beryliem, bórem, hliníkem a heliem, čímž vznikne polovodič typu p. Díky svému širokému pásmovému úseku, který mu umožňuje zpracovávat třikrát vyšší napětí než standardní křemíkové polovodiče. Karbid křemíku se díky svému širokému využití jako materiál pro výrobu elektronických součástek stal oblíbeným materiálem pro výrobu elektronických zařízení.

Přírodní ložiska SiC existují v některých vzorcích meteoritů, korundových ložiskách a kimberlitu, ale většina průmyslového SiC se vyrábí synteticky. Varianty SSiC a SiSiC patří díky svým tepelným vlastnostem k nejčastěji využívaným materiálům pro náročné podmínky, jako je 3D tisk, výroba balistických předmětů, chemická výroba a aplikace v energetických technologiích, jakož i komponenty potrubních systémů; jejich vyšší hustota než u čistého křemene činí z těchto sloučenin atraktivní náhradu kovů a nabízejí dobrou tuhost, tvrdost a odolnost vůči vysokým teplotám, které ve srovnání s čistým křemenem a odolností vůči vysokým teplotám konkurují tepelným vlastnostem čistého křemene, což z těchto sloučenin činí atraktivní alternativu náhrady kovů.