Den høje smeltetemperatur for siliciumcarbid

Siliciumcarbid er en ekstremt hård og stærk ikke-oxidkeramik med fremragende egenskaber ved høje temperaturer, som anvendes i mange forskellige brancher til krævende opgaver.

Fraktografisk undersøgelse af prøver testet i argon ved 1500-2100 grader viste, at kun det yderste lag var oxideret; kun dets oxidskala indeholdt deformerede og langstrakte borkorn med omgivende whiskers af WO3.

Termodynamik

Siliciumcarbid (SiC) er et inert keramisk materiale, som har mange ønskværdige industrielle egenskaber. De omfatter høj styrke, slidstyrke, modstandsdygtighed over for termisk chok og varmeledningsevne - og så er det syre- og alkalibestandigt og kan modstå temperaturer på op til 1600 grader.

SiC kan enten fungere som en elektrisk isolator eller halvleder afhængigt af dopingniveau og sammensætning. Doping med nitrogen eller fosfor skaber en n-type ledningsevne, mens doping med bor, gallium eller aluminium kan skabe en p-type ledningsevne.

Siliciumcarbid anvendes i dag i vid udstrækning i industrier, der spænder fra stålproduktion, varmebehandling af metaller, produktion af floatglas og fremstilling af keramik og elektronikkomponenter til produktion af kompositpanser (såsom Chobham-panser) og skudsikre veste.

SiC smelter som en funktion af både tryk og temperatur, og smeltetemperaturen bestemmes af begge variabler. Ved lave tryk viser dets fasediagram inkongruent smeltning, der forekommer som en ligevægtsblanding af 3C kubisk krystal og 6H hexagonal krystal (se [17]). Ved højere tryk har undersøgelser dog observeret, at det smelter kongruent og danner væske med en entydig smeltekurve, som det ses i figur 5. Dens langsomme kinetik skyldes sandsynligvis store forskelle mellem kulstofatomradiusforskelle og siliciumatomradiusforskelle (se [18]).

Tryk

Siliciumcarbid har skabt overskrifter på grund af dets halvledende egenskaber, især dets overlegne spændingsmodstand sammenlignet med almindeligt silicium. Desuden kan siliciumcarbid også bruges som slibemiddel og i ildfaste applikationer som højtydende bremseskiver til biler.

SiC findes oftest som alfa-siliciumcarbid (a-SiC) med en hexagonal krystalstruktur, der ligner Wurtzite. Beta-formen kan dog også dannes ved lavere temperaturer, men har begrænsede kommercielle anvendelser. SiC er kendt for at være et hårdt og slidstærkt materiale med diamantlignende egenskaber, som er modstandsdygtigt over for varme og korrosion.

Siliciumcarbid produceres som pulver eller krystal til brug i forskellige ildfaste, slibende og metallurgiske anvendelser. I kombination med grafit bruges det ofte til at producere kulfiberforstærket siliciumcarbid, der bruges i højtydende bremseskiver til biler.

Lely-processen er den gængse måde at fremstille siliciumcarbid på. Den indebærer opvarmning af en blanding af silikasand og kul (normalt koks) ved meget høje temperaturer i en granitdigel med en kulstofleder, der fungerer som elektrode, mens elektrisk strøm passerer gennem koks og skaber kemiske reaktioner, som tillader sublimering ved lavere temperaturer og aflejring på grafitstænger ved køligere temperaturer, hvilket resulterer i rene grønne krystaller af SiC kendt som moissanit.

Diffusion

Siliciumcarbid (SiC) er et amorft krystallinsk materiale med et ekstremt højt smeltepunkt (2700oC). På grund af de stærke kovalente bindinger mellem Si- og C-atomer udviser siliciumcarbid ekstrem hårdhed og skørhed, men kan ikke måle sig med diamants hårdhed (9,5 Mohs skala). Findes naturligt som moissanit, der blev opdaget ved Canyon Diablo-meteorkrateret i Arizona tilbage i 1893; alternativt fremstillet kunstigt ved hjælp af reduktion af silica-carbon i en elektrisk ovn ved høje temperaturer.

Siliciumcarbid anvendes i vid udstrækning på grund af dets enestående fysiske og kemiske egenskaber. Det har overlegne elektriske egenskaber som f.eks. 10 gange højere spændingsmodstand end standard silicium og klarer sig bedre i systemer, der arbejder med over 1000 V end galliumnitrid; desuden er det modstandsdygtigt over for termisk chok og slidstyrke.

Som en del af bestræbelserne på at forbedre siliciumkarbidens isoleringsevne dækkes det ofte med et lag kulstof (kendt som C-cap) for at mindske nedbrydningen under udglødningsprocesser ved høje temperaturer. Men desværre kan denne belægning også have en skadelig virkning på selvdiffusionen ved at fremme dannelsen af Frenkel-par og skabe immobile antisitter (se figur 4 for en illustration af dette fænomen). Figur 4 viser en sammenligning mellem ubelagte og C-belagte prøver, der er udglødet ved 1700oC i en time; 30 profilformer er forskellige mellem prøverne på grund af pinholes, der findes på C-belagte prøver, der er udglødet ved 1700oC i en time i begge prøver, hvilket fremgår af forskelle mellem deres Arrhenius-plot af selvdiffusionskurver (hvilket indikerer pinholes, der findes på C-belagte prøver).

Temperatur

Siliciumcarbid (SiC) er et ikke-oxidkeramisk materiale med bemærkelsesværdig termisk stabilitet og styrke ved høje temperaturer. SiC består af tætpakkede kulstof- og siliciumatomer, der er bundet af krystalgitterstrukturer, og har et meget højt smeltepunkt - en egenskab, der gør det velegnet til industriel brug, hvor der forekommer ekstreme temperaturer.

Rent SiC er ikke en fremragende elektrisk leder, men når det dopes med specifikke dopingstoffer, øges dets ledningsevne betydeligt. Desuden overgår SiC's modstandsdygtighed over for termisk chok og krybning andre keramiske højtemperaturmaterialer som f.eks. aluminiumoxid eller borcarbid.

I stålindustrien er 90% siliciumcarbid en integreret del af basiske iltovne (BOF). Det fungerer som brændstof til at øge forholdet mellem skrot og varmt metal og hæve aftapningstemperaturen; desuden hjælper det med at deoxidere stål, mens det fjerner urenheder fra smeltebadet - og er et effektivt middel til at kontrollere kulstofindholdet i stålsmelten.

SiC bruges ikke kun i stålindustrien; det har også mange andre anvendelser. For eksempel fungerer det som en effektiv katalysator i produktionen af polyvinylchlorid og andre organiske forbindelser. Desuden kan SiC bruges til at fremstille aluminiumoxid og borcarbider, og det er en integreret del af kompositpanser som Chobham-panseret.