Tætheden af siliciumcarbid

Siliciumkarbid, der oftest kaldes Carborundum eller SiC, er et hårdt keramisk materiale med mange anvendelsesmuligheder. Dette alsidige materiale anvendes som slibemiddel, har egenskaber som halvleder med bred båndspalte og kan endda forarbejdes til strukturelle keramiske komponenter.

Fremstillingen omfatter reaktion og pyrolyse af polysiloxaner under tryk, formaling til pulverform, sintring til faste former og efterfølgende formaling til den endelige mikrostruktur. Hvert trin spiller en afgørende rolle i fremstillingen af dette endelige materiale, hvor resultaterne varierer afhængigt af de anvendte formningsmetoder – som har væsentlig indflydelse på mikrostrukturen.

Teoretisk tæthed

Siliciumkarbids tætte sammensætning spiller en afgørende rolle for dets modstandsdygtighed over for kemiske, termiske og mekaniske belastninger. Med sine enestående egenskaber inden for hårdhed og varmeledningsevne er siliciumkarbid et fremragende materialevalg til anvendelser, der kræver høj ydeevne og udsættes for store belastninger.

Materialer med højere tæthed har som regel en større modstandsdygtighed over for korrosion og slid. Derudover gør deres lave udvidelses- og krympningshastigheder, at de bedre kan modstå ekstreme temperaturer – hvilket gør dem ideelle til el- og gassystemer.

SiC er desuden yderst modstandsdygtigt over for stråling og har et usædvanligt stort båndgab sammenlignet med andre halvledere, hvilket gør det muligt at anvende det ved langt højere temperaturer, spændinger og frekvenser end tilsvarende materialer. SiC anvendes derfor i en lang række elektroniske og industrielle anvendelser, herunder elproduktion, luftfart og bilindustrien.

Det kan være en udfordring at opnå høje tætheder af SiC i store komponenter. Men med ramp-kompressionsteknologi er det nu muligt at opnå ensartede tætheder på op til 98% af den teoretiske tæthed. Processen indebærer fremstilling af en homogen dispersion af en pulverblanding i submikronstørrelse, der primært består af siliciumkarbid med et tilsætningsstof indeholdende bor; derefter formes denne pulverblanding til råemner, inden den sintres ved 1900deg-2100deg C under kontrollerede atmosfæriske forhold.

Borholdige tilsætningsstoffer bør tilsættes under pulverblandingen i en mængde svarende til én vægtdel elementært bor pr. 100 vægtdele siliciumkarbid for at sikre en sikker fortætning uden udskillelse ved korngrænserne.

Fysisk tæthed

Siliciumkarbid (C-Si) er et syntetisk materiale, der består af kulstof (C) og silicium (Si). Det har den næsthøjeste Mohs-hårdhed efter borkarbid på 9 og udviser enestående styrke, slidstyrke og korrosionsbestandighed; faktisk kan det endda modstå udsættelse for flussyre og svovlsyre uden at blive korroderet – og vand samt de fleste kemikalier, herunder baser, kan ikke opløse det! Siliciumkarbids alsidighed som konstruktionsmateriale gør det også populært blandt forskere.

Da smaragd kan modstå skære- og slibeopgaver ved høje hastigheder og desuden anvendes til sandblæsning og bearbejdning, er den meget udbredt i moderne ædelstensbearbejdning på grund af sin holdbarhed og omkostningseffektivitet. Desuden fungerer den som et vigtigt råmateriale i fremstillingen af slibe- og poleringsmidler.

Siliciumkarbid har vist sig at være et af de vigtigste materialer inden for rumteknologi på grund af dets enestående holdbarhed og modstandsdygtighed over for stråling. Derfor er spejle fremstillet af siliciumkarbid blevet det foretrukne valg til flere af de største teleskoper, såsom Herschel- og BepiColombo-missionerne, og de kan endda formes til stive rammer, der kan modstå de temperaturer, der findes på Venus, samt strålingsniveauer, der overstiger forventningerne.

Nye eksperimentelle resultater viser, at a-SiC er stabilt i sin B1-fase under et bredt spektrum af betingelser, der svarer til de forventede forhold i mantlen på kulstofrige exoplaneter, i modsætning til dets opførsel på Jorden, hvor det hurtigt nedbrydes til siliciumdioxid og ilt.

Kemisk massefylde

Siliciumkarbid, mere almindeligt kendt som SiC, er en kemisk forbindelse bestående af silicium (atomnummer 14) og kulstof (atomnummer 6). Det har et skinnende udseende, der varierer fra grønt til blåligt sort, og er ikke-brændbart; dets massefylde er 3,21 gram pr. kubikcentimeter.

Siliciumkarbid forekommer naturligt i meteoritter, korundforekomster og kimberlitforekomster i begrænsede mængder; det meste siliciumkarbid, der anvendes i elektroniske apparater, fremstilles dog syntetisk. Edward Acheson fremstillede for første gang siliciumkarbid syntetisk i 1891, da han forsøgte at skabe kunstige diamanter ved at opvarme ler og pulveriseret koks i en lysbueovn; under dette forsøg bemærkede han lysegrønne krystaller, der lignede diamanter, fastgjort til kulstofelektroder, og han gav disse krystaller navnet “moissanit” efter den stenart, de mindede om.

SiC er et halvledermateriale med et ekstremt bredt båndgab, hvilket gør det muligt at anvende det ved højere temperaturer og spændinger end andre halvledermaterialer. Takket være dets fremragende varmeledningsevne sker varmeafledningen hurtigt, mens den tætte krystalstruktur sikrer enestående slidstyrke – hvilket gør det perfekt til anvendelser som f.eks. skæreværktøjer.

EAG Laboratories har omfattende erfaring med analyse af SiC ved hjælp af både bulk- og rumligt opløste analyseteknikker. SiC er et yderst nyttigt materiale til fremstilling af halvledere, da det kan doteres med forskellige grundstoffer for at ændre dets elektrotermiske egenskaber. Det er af afgørende betydning for fremstillingen af halvlederprodukter af høj kvalitet at sikre doteringsstoffernes koncentration og rumlige fordeling og samtidig fjerne uønskede forurenende stoffer.

Termisk tæthed

Siliciumkarbid er et ekstremt tæt materiale og et af de hårdeste stoffer, der findes. Som keramisk materiale har det en fremragende korrosionsbestandighed, hvilket muligvis kan medføre et behov for færre aktive kølesystemer i elbiler.

Siliciumkarbid (SiC) er et kovalent bundet, lysegråt fast stof, der på Mohs-skalaen har samme relative hårdhed som diamant. Ildfaste materialer med disse egenskaber er ideelle til anvendelse, da SiC har et højt smeltepunkt, høj varmeledningsevne og lav termisk udvidelse.

Siliciumkarbid kan doteres med nitrogen eller fosfor for at danne en n-type halvleder, eller doteres med beryllium, bor, aluminium og gallium for at danne en p-type halvleder. På grund af dets brede båndgab kan det klare en spænding, der er tre gange højere end standard halvledere af silicium. Siliciumkarbid er blevet det foretrukne materiale til produktion af elektroniske enheder på grund af dets brede anvendelse som materiale til elektroniske komponenter.

Der findes naturlige SiC-forekomster i visse meteoritprøver, korundforekomster og kimberlit, men det meste industrielle SiC fremstilles syntetisk. SSiC- og SiSiC-varianter er blandt de mest anvendte materialer til krævende formål som 3D-print, produktion af ballistiske komponenter, kemisk produktion og anvendelser inden for energiteknologi samt komponenter til rørsystemer på grund af deres termiske egenskaber; Deres højere densitet end ren kvarts gør disse forbindelser til et attraktivt alternativ til metal, og de tilbyder god stivhed, hårdhed og højtemperaturbestandighed, der kan måle sig med ren kvarts' termiske egenskaber og højtemperaturbestandighed, hvilket gør disse forbindelser til attraktive alternativer til metal.