Siliciumcarbid-formel

Siliciumcarbid (SiC) er en ekstremt hård syntetisk forbindelse af silicium og kulstof, der forekommer naturligt som ædelstenen moissanit og i mindre grad i kulstofholdige chondritmeteoritter.

Kvarts fremstilles ved at smelte kvartssand og koks ved høje temperaturer i en elektrisk ovn og findes i mindst 70 forskellige krystalformer; alfaformen med sekskantet krystalstruktur svarende til wurtzit er den mest udbredte.

Fysiske egenskaber

Siliciumcarbid, bedre kendt som Carborundum, er en ikke-oxid keramisk forbindelse med enestående hårdhed og kemisk modstandsdygtighed, der kun overgås af diamant. Desuden modstår siliciumcarbid i ren form oxidation ved højere temperaturer, hvilket giver en mere pålidelig elektrisk ledningsevne og ledningsevne.

Opvarm silicasand med kulstof i en elektrisk ovn for at producere SiC. Det grønne til blåsorte, krystallinske materiale, der produceres, kan derefter adskilles i kvaliteter med forskellige fysiske egenskaber: For eksempel har metallurgisk kvalitet A grove lag; mens glattere krystaller i kvalitet b danner glattere strukturer.

Disse polytyper af lagdelte strukturer har særlige elektriske, optiske og termiske egenskaber. Deres atombindinger består af fire siliciumatomer bundet til fire kulstofatomer i et uregelmæssigt kvadratisk mønster, der danner fire sekskantede krystaller; dette giver halvlederegenskaber med bredt båndgab. Ekstrudering eller kold isostatisk presning kan forme disse materialer til stænger eller rør til brug som stænger og rør.

Kemiske egenskaber

Siliciumcarbid (SiC), bedre kendt som carborundum, er en hård kemisk forbindelse af silicium og kulstof med halvlederegenskaber med bredt båndgab. SiC er ildfast af natur og er også kendt for sin høje varmeledningsevne og lave varmeudvidelse, der gør det meget modstandsdygtigt over for termisk chok.

Krystallinsk SiC krystalliserer i en tætpakket struktur med fire silicium- og fire kulstofatomer bundet i tetraedrisk koordination og har over 70 polytyper; alfa-SiC findes hyppigst ved temperaturer over 2000 grader med hexagonal krystalstruktur svarende til Wurtzite. I mellemtiden forekommer beta-modifikation med zinkblende-krystalstruktur svarende til diamant og sphaleritdannelse ved lavere temperaturer.

Carborundum er et ekstremt sjældent stof i naturen, men et hovedelement i kulstofrige meteoritter i rummet. Materialet blev først syntetiseret kunstigt i 1891 af Edward Acheson som en del af hans arbejde med at fremstille kunstige diamanter, men blev til sidst opdaget naturligt i Arizonas Canyon Diablo-meteorit i 1893 og fik navnet moissanit efter nobelprisvinderen Henri Moissan.

Mekaniske egenskaber

Siliciumcarbid har en ekstremt hård overflade med en Mohs-skala på 9, hvilket gør det til den hårdeste ikke-oxidkeramik og et af de hårdeste materialer i det hele taget. Det er et fremragende materialevalg til anvendelser, der involverer mekanisk slid som f.eks. slibemidler og ildfaste materialer, samtidig med at det har gode termiske egenskaber, der modstår miljøer med høje temperaturer samt termisk chok.

Silicium erstatter halvdelen af kulstofatomerne, hvilket giver forbedrede varmeledningsegenskaber på grund af den samme atomradius mellem silicium og kulstof - hvilket hjælper med at reducere fononspredning.

Siliciumcarbid fremstår som gule til grønne til blåsorte iriserende krystaller, der sublimerer ved nedbrydning ved 2700 grader. Selv om SiC er uopløseligt i vand, er det opløseligt i smeltede alkalier som NaOH og KOH samt i smeltet jern, og dets Young's modul og hårdhed bestemmes af tekstur, stablingsfejl, kornstørrelse og arten af dets korngrænser.

Elektriske egenskaber

Siliciumcarbids brede båndgab gør det muligt at modstå højere temperaturer og spændinger end silicium, hvilket gør det velegnet til anvendelser, der kræver hurtige, men pålidelige elektroniske enheder. Desuden er dets evne til at modstå en sådan spænding uvurderlig i batterisystemer til elbiler, der reducerer både størrelse og vægt ved helt at eliminere invertere.

SiC er et populært materiale på grund af dets kombination af keramiske og halvlederegenskaber, som bidrager til den elektroniske teknologis fremskridt. Desuden har dets hårdhed, styrke, lave varmeudvidelse og modstandsdygtighed over for kemiske reaktioner bidraget til dets stigende popularitet.

Siliciumcarbid skabes ved at opvarme rent silica-sand med kulstof i en elektrisk ovn, hvilket skaber barrer af både metallurgiske og slibende kvaliteter, kendt som a-SiC og b-SiC alt efter kvalitet og tilsigtet brug. Når barrerne er dannet, skæres de ned i forskellige størrelser og former afhængigt af de ønskede anvendelser, før de blandes med yderligere elementer som aluminium eller nitrogen for at opnå de ønskede egenskaber.