Η υψηλή θερμοκρασία τήξης του καρβιδίου του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα εξαιρετικά σκληρό και ανθεκτικό κεραμικό υλικό χωρίς οξείδια, με εξαιρετικές ιδιότητες σε υψηλές θερμοκρασίες, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορους κλάδους για απαιτητικές εφαρμογές.

Η φρακτογραφική εξέταση δειγμάτων που υποβλήθηκαν σε δοκιμή σε αργό σε θερμοκρασίες 1500-2100 °C έδειξε ότι οξειδώθηκε μόνο το εξωτερικό στρώμα· μόνο η οξειδωτική κρούστα του περιείχε παραμορφωμένους και επιμηκυνμένους κόκκους βορίου, περιβαλλόμενους από ίνες WO₃.

Θερμοδυναμική

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα αδρανές κεραμικό υλικό που διαθέτει πολλές επιθυμητές βιομηχανικές ιδιότητες. Σε αυτές περιλαμβάνονται η υψηλή αντοχή, η αντοχή στη φθορά, η αντοχή σε θερμικά σοκ και η θερμική αγωγιμότητα, καθώς και η αντοχή σε οξέα και αλκάλια και η ικανότητα να αντέχει σε θερμοκρασίες έως και 1600 °C.

Το SiC μπορεί να λειτουργήσει είτε ως ηλεκτρικός μονωτής είτε ως ημιαγωγός, ανάλογα με το επίπεδο πρόσμιξής του και τη σύνθεσή του. Η πρόσμιξη με άζωτο ή φώσφορο δημιουργεί αγωγιμότητα τύπου n, ενώ η πρόσμιξη με βόριο, γαλλίου ή αλουμινίου μπορεί να δημιουργήσει αγωγιμότητα τύπου p.

Το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα σε διάφορους κλάδους, από την παραγωγή χάλυβα, τη θερμική επεξεργασία μετάλλων, την παραγωγή υαλοπινάκων και την κατασκευή κεραμικών και ηλεκτρονικών εξαρτημάτων, έως την κατασκευή σύνθετων θωρακισμένων υλικών (όπως η θωράκιση Chobham) και αλεξίσφαιρων γιλέκων.

Το SiC τήκεται ανάλογα τόσο με την πίεση όσο και με τη θερμοκρασία, ενώ η θερμοκρασία τήξης του καθορίζεται από τις δύο αυτές μεταβλητές. Σε χαμηλές πιέσεις, το διάγραμμα φάσεων του παρουσιάζει ασύμμετρη τήξη, η οποία λαμβάνει χώρα ως μίγμα ισορροπίας κυβικού κρυστάλλου 3C και εξαγωνικού κρυστάλλου 6H (βλ. [17]). Σε υψηλότερες πιέσεις, ωστόσο, μελέτες έχουν παρατηρήσει ότι υφίσταται ομόγενη τήξη, σχηματίζοντας υγρό με μια σαφή καμπύλη τήξης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5. Η αργή κινητική του οφείλεται πιθανώς στις μεγάλες διαφορές μεταξύ των ακτίνων των ατόμων του άνθρακα και των ακτίνων των ατόμων του πυριτίου (βλ. [18]).

Πίεση

Το καρβίδιο του πυριτίου έχει γίνει θέμα συζήτησης λόγω των ημιαγωγικών του ιδιοτήτων, και ιδίως λόγω της ανώτερης αντοχής του στην τάση σε σύγκριση με το συνηθισμένο πυρίτιο. Επιπλέον, το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως λειαντικό και σε πυρίμαχες εφαρμογές, όπως οι δίσκοι φρένων υψηλής απόδοσης για αυτοκίνητα.

Το SiC απαντάται συνήθως ως καρβίδιο του πυριτίου τύπου άλφα (a-SiC), με εξαγωνική κρυσταλλική δομή παρόμοια με αυτή του βουρτζίτη. Ωστόσο, η μορφή βήτα μπορεί επίσης να σχηματιστεί σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, αλλά έχει περιορισμένες εμπορικές εφαρμογές. Το SiC είναι γνωστό ως ανθεκτικό και ανθεκτικό στη φθορά υλικό με ιδιότητες παρόμοιες με αυτές του διαμαντιού, το οποίο είναι ανθεκτικό στη θερμότητα και τη διάβρωση.

Το καρβίδιο του πυριτίου παράγεται σε μορφή σκόνης ή κρυστάλλων για χρήση σε διάφορες πυρίμαχες, λειαντικές και μεταλλουργικές εφαρμογές. Σε συνδυασμό με γραφίτη, χρησιμοποιείται συχνά για την παραγωγή καρβιδίου του πυριτίου ενισχυμένου με ίνες άνθρακα, το οποίο χρησιμοποιείται σε δίσκους φρένων υψηλής απόδοσης για αυτοκίνητα.

Η μέθοδος Lely αποτελεί την πιο διαδεδομένη μέθοδο παραγωγής καρβιδίου του πυριτίου. Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει τη θέρμανση ενός μείγματος πυριτικής άμμου και άνθρακα (συνήθως οπτάνθρακα) σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες μέσα σε ένα χωνευτήριο από γρανίτη, με έναν αγωγό άνθρακα να λειτουργεί ως ηλεκτρόδιο, ενώ ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται μέσω του οπτάνθρακα, προκαλώντας χημικές αντιδράσεις που επιτρέπουν την εξάτμιση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και την εναπόθεση σε ράβδους γραφίτη σε πιο ψυχρές θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα την παραγωγή καθαρών πράσινων κρυστάλλων SiC, γνωστών ως μοϊσανίτη.

Διάχυση

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα άμορφο κρυσταλλικό υλικό με εξαιρετικά υψηλό σημείο τήξης (2700 °C). Λόγω των ισχυρών ομοιοπολικών δεσμών μεταξύ των ατόμων Si και C, το καρβίδιο του πυριτίου παρουσιάζει εξαιρετική σκληρότητα και ευθραυστότητα, χωρίς όμως να φτάνει τη σκληρότητα του διαμαντιού (9,5 στην κλίμακα Mohs). Βρίσκεται στη φύση ως μοϊσανίτης, ο οποίος ανακαλύφθηκε στον μετεωριτικό κρατήρα Canyon Diablo στην Αριζόνα το 1893· εναλλακτικά, παράγεται τεχνητά μέσω αναγωγής πυριτίου-άνθρακα σε ηλεκτρικό κλίβανο σε υψηλές θερμοκρασίες.

Το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται ευρέως λόγω των εξαιρετικών φυσικών και χημικών ιδιοτήτων του. Διαθέτει ανώτερα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά, όπως αντοχή σε τάση 10 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του τυπικού πυριτίου, και αποδίδει καλύτερα σε συστήματα που λειτουργούν σε τάσεις άνω των 1000 V σε σύγκριση με το νιτρίδιο του γαλλίου· επιπλέον, παρουσιάζει αντοχή σε θερμικούς κραδασμούς καθώς και αντοχή στη φθορά.

Στο πλαίσιο των προσπαθειών για τη βελτίωση της μονωτικής ικανότητας του καρβιδίου του πυριτίου, αυτό συχνά καλύπτεται με ένα στρώμα άνθρακα (γνωστό ως «C-cap») προκειμένου να μετριαστεί η υποβάθμιση κατά τη διάρκεια των διαδικασιών ανόπτησης σε υψηλές θερμοκρασίες. Δυστυχώς, όμως, αυτή η επικάλυψη μπορεί επίσης να έχει επιζήμιες επιπτώσεις στην αυτοδιάχυση, καθώς ευνοεί τον σχηματισμό ζευγών Frenkel και δημιουργεί ακίνητες αντιθέσεις (βλ. σχήμα 4 για μια απεικόνιση αυτού του φαινομένου). Το σχήμα 4 παρουσιάζει σύγκριση μεταξύ δειγμάτων χωρίς επικάλυψη και δειγμάτων με επικάλυψη C που υποβλήθηκαν σε ανόπτηση στους 1700 °C για μία ώρα· Τα προφίλ των 30 διαφέρουν μεταξύ των δειγμάτων λόγω των μικροοπών που υπάρχουν στα δείγματα με επίστρωση άνθρακα τα οποία υποβλήθηκαν σε ανόπτηση στους 1700 °C για μία ώρα και στα δύο δείγματα, κάτι που αποδεικνύεται από τις διαφορές μεταξύ των διαγραμμάτων Arrhenius των καμπυλών αυτοδιάχυσης (που υποδηλώνουν την παρουσία μικροοπών στο δείγμα με επίστρωση άνθρακα).

Θερμοκρασία

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα κεραμικό υλικό χωρίς οξείδια, το οποίο διαθέτει αξιοσημείωτη θερμική σταθερότητα και αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες. Αποτελούμενο από πυκνά συσσωρευμένα άτομα άνθρακα και πυριτίου που συνδέονται μέσω κρυσταλλικών πλεγμάτων, το SiC έχει πολύ υψηλό σημείο τήξης – μια ιδιότητα που το καθιστά κατάλληλο για βιομηχανικές εφαρμογές όπου επικρατούν ακραίες θερμοκρασίες.

Το καθαρό SiC δεν αποτελεί εξαιρετικό ηλεκτρικό αγωγό· ωστόσο, η προσθήκη συγκεκριμένων προσμίξεων αυξάνει σημαντικά την αγωγιμότητά του. Επιπλέον, η αντοχή του SiC σε θερμικά σοκ και στη ρευστοποίηση υπερβαίνει εκείνη άλλων κεραμικών υλικών υψηλής θερμοκρασίας, όπως η αλουμίνα ή το καρβίδιο του βορίου.

Στη βιομηχανία χάλυβα, το καρβίδιο του πυριτίου 90% αποτελεί αναπόσπαστο συστατικό των βασικών κλιβάνων οξυγόνου (BOF). Χρησιμεύει ως καύσιμο για την αύξηση της αναλογίας θραυσμάτων προς καυτό μέταλλο και την αύξηση της θερμοκρασίας εκροής· επιπλέον, συμβάλλει στην αποξείδωση του χάλυβα, απομακρύνοντας παράλληλα τις ακαθαρσίες από τη λεκάνη τήξης, ενώ αποτελεί και ένα αποτελεσματικό μέσο για τον έλεγχο των επιπέδων περιεκτικότητας σε άνθρακα στο λιωμένο χάλυβα.

Το SiC δεν χρησιμοποιείται μόνο στη χαλυβουργία· έχει και πολλές άλλες εφαρμογές. Για παράδειγμα, λειτουργεί ως αποτελεσματικός καταλύτης στην παραγωγή πολυβινυλοχλωριδίου καθώς και άλλων οργανικών ενώσεων. Επιπλέον, το SiC μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή αλουμίνας και καρβιδίων βορίου· επίσης, αποτελεί αναπόσπαστο συστατικό σε σύνθετες θωρακίσεις, όπως η θωράκιση Chobham.