Τύπος καρβιδίου του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι μια εξαιρετικά σκληρή συνθετική ένωση πυριτίου και άνθρακα, η οποία απαντάται στη φύση ως ο πολύτιμος λίθος μοϊσανίτης και, σε μικρότερο βαθμό, σε ανθρακούχους χονδρίτες μετεωρίτες.

Ο χαλαζίας, ο οποίος παράγεται με τήξη πυριτικής άμμου και οπτάνθρακα σε υψηλές θερμοκρασίες σε ηλεκτρικό κλίβανο, εμφανίζεται σε τουλάχιστον 70 διαφορετικές κρυσταλλικές μορφές, με την άλφα μορφή —η οποία έχει εξαγωνική κρυσταλλική δομή παρόμοια με αυτή του βουρτζίτη— να είναι η πιο διαδεδομένη.

Φυσικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου, πιο γνωστό ως «Carborundum», είναι μια κεραμική ένωση χωρίς οξείδια, η οποία διαθέτει εξαιρετική σκληρότητα και χημική αντοχή και κατατάσσεται δεύτερη σε σκληρότητα, μετά το διαμάντι. Επιπλέον, το καρβίδιο του πυριτίου σε καθαρή μορφή αντέχει στην οξείδωση σε υψηλότερες θερμοκρασίες, προσφέροντας έτσι πιο αξιόπιστη ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Θερμαίνουμε άμμο πυριτίου μαζί με άνθρακα σε ηλεκτρικό κλίβανο για την παραγωγή SiC. Το κρυσταλλικό υλικό που παράγεται, το οποίο έχει χρώμα από πράσινο έως μπλε-μαύρο, μπορεί στη συνέχεια να διαχωριστεί σε κατηγορίες με διαφορετικές φυσικές ιδιότητες: για παράδειγμα, η μεταλλουργική κατηγορία Α έχει χονδροειδείς στρώσεις, ενώ οι πιο λείοι κρύσταλλοι της κατηγορίας Β σχηματίζουν πιο λείες δομές.

Αυτοί οι πολυτύποι στρωματοποιημένων δομών παρουσιάζουν χαρακτηριστικές ηλεκτρικές, οπτικές και θερμικές ιδιότητες. Οι ατομικοί δεσμοί τους αποτελούνται από τέσσερα άτομα πυριτίου συνδεδεμένα με τέσσερα άτομα άνθρακα σε ένα ακανόνιστο τετράγωνο σχήμα, σχηματίζοντας τέσσερις εξαγωνικούς κρυστάλλους· αυτό τους προσδίδει ιδιότητες ημιαγωγού με ευρύ ενεργειακό χάσμα. Μέσω εξώθησης ή ψυχρής ισοστατικής συμπίεσης, τα υλικά αυτά μπορούν να διαμορφωθούν σε ράβδους ή σωλήνες για χρήση ως ράβδοι και σωλήνες.

Χημικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC), πιο γνωστό ως καρμπορούνδιο, είναι μια ανθεκτική χημική ένωση πυριτίου και άνθρακα με ιδιότητες ημιαγωγού ευρείας ενεργειακής διαφοράς. Το SiC, το οποίο είναι πυρίμαχο από τη φύση του, είναι επίσης γνωστό για την υψηλή θερμική αγωγιμότητα και τη χαμηλή θερμική διαστολή του, ιδιότητες που του προσδίδουν εξαιρετική αντοχή στους θερμικούς κραδασμούς.

Το κρυσταλλικό SiC κρυσταλλώνεται σε δομή πυκνής συσκευασίας με τέσσερα άτομα πυριτίου και τέσσερα άτομα άνθρακα συνδεδεμένα σε τετραεδρικό συντονισμό, και παρουσιάζει πάνω από 70 πολυτύπους· το άλφα SiC απαντάται συχνότερα σε θερμοκρασίες άνω των 2000 °C με εξαγωνική κρυσταλλική δομή παρόμοια με αυτή του βουρτζίτη. Εν τω μεταξύ, η βήτα μορφή με κρυσταλλική δομή τύπου ζινκμπλεντ, παρόμοια με αυτή του διαμαντιού και της σφαλερίτης, εμφανίζεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες.

Το καρμπορούνδιο είναι μια εξαιρετικά σπάνια ουσία στη φύση, αλλά αποτελεί βασικό συστατικό των πλούσιων σε άνθρακα μετεωριτών στο διάστημα. Συντέθηκε για πρώτη φορά τεχνητά το 1891 από τον Έντουαρντ Άτσεσον στο πλαίσιο της έρευνάς του για την παραγωγή τεχνητών διαμαντιών, ενώ τελικά ανακαλύφθηκε σε φυσική μορφή στον μετεωρίτη Canyon Diablo της Αριζόνα το 1893 και ονομάστηκε μοϊσανίτης προς τιμήν του νομπελίστα Ανρί Μοϊσάν.

Μηχανικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου διαθέτει μια εξαιρετικά σκληρή επιφάνεια με βαθμολογία 9 στην κλίμακα Mohs, γεγονός που το καθιστά το σκληρότερο κεραμικό υλικό που δεν αποτελείται από οξείδια και ένα από τα σκληρότερα υλικά συνολικά. Αποτελεί εξαιρετική επιλογή υλικού για εφαρμογές που συνεπάγονται μηχανική φθορά, όπως τα λειαντικά και τα πυρίμαχα υλικά, ενώ διαθέτει καλές θερμικές ιδιότητες που του επιτρέπουν να αντέχει σε περιβάλλοντα υψηλών θερμοκρασιών καθώς και σε θερμικά σοκ.

Το πυρίτιο αντικαθιστά το ήμισυ των ατόμων άνθρακα, προσφέροντας βελτιωμένες ιδιότητες θερμικής αγωγιμότητας λόγω της παρόμοιας ατομικής ακτίνας του πυριτίου και του άνθρακα – συμβάλλοντας έτσι στη μείωση της σκέδασης των φωνονίων.

Το καρβίδιο του πυριτίου εμφανίζεται ως ιριδίζοντες κρύσταλλοι χρώματος από κίτρινο έως πράσινο και μπλε-μαύρο, οι οποίοι εξατμίζονται με αποσύνθεση στους 2700 °C. Αν και αδιάλυτο στο νερό, το SiC είναι διαλυτό σε τετηγμένα αλκάλια όπως το NaOH και το KOH, καθώς και σε τετηγμένο σίδηρο, ενώ ο συντελεστής ελαστικότητας του Young και η σκληρότητά του καθορίζονται από την υφή, τα σφάλματα στοίβαξης, το μέγεθος των κόκκων και τη φύση των ορίων των κόκκων.

Ηλεκτρικές ιδιότητες

Η μεγάλη ενέργεια του ενεργειακού χάσματος του καρβιδίου του πυριτίου του επιτρέπει να αντέχει σε υψηλότερες θερμοκρασίες και τάσεις από το πυρίτιο, καθιστώντας το κατάλληλο για εφαρμογές που απαιτούν γρήγορες αλλά και αξιόπιστες ηλεκτρονικές συσκευές. Επιπλέον, η ικανότητά του να αντέχει σε τέτοιες τάσεις είναι ανεκτίμητη στα συστήματα μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων, τα οποία μειώνουν τόσο το μέγεθος όσο και το βάρος, εξαλείφοντας εντελώς τη χρήση μετατροπέων.

Το SiC είναι ένα δημοφιλές υλικό λόγω του συνδυασμού κεραμικών και ημιαγωγικών ιδιοτήτων του, ο οποίος συμβάλλει στην πρόοδο της ηλεκτρονικής τεχνολογίας. Επιπλέον, η σκληρότητα, η αντοχή, η χαμηλή θερμική διαστολή και η αντοχή του στις χημικές αντιδράσεις έχουν συμβάλει στην αύξηση της δημοτικότητάς του.

Το καρβίδιο του πυριτίου παράγεται με τη θέρμανση καθαρής πυριτικής άμμου μαζί με άνθρακα σε ηλεκτρικό κλίβανο, με αποτέλεσμα τη δημιουργία πλινθωμάτων τόσο μεταλλουργικής όσο και λειαντικής ποιότητας, γνωστών ως a-SiC και b-SiC, ανάλογα με την ποιότητα και την προβλεπόμενη χρήση. Αφού σχηματιστούν οι ράβδοι, κόβονται σε διαφορετικά μεγέθη και σχήματα ανάλογα με τις επιθυμητές εφαρμογές, προτού αναμιχθούν με πρόσθετα στοιχεία όπως το αλουμίνιο ή το άζωτο για την επίτευξη των επιθυμητών χαρακτηριστικών.