Δομή και εφαρμογές καρβιδίου του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου, ή SiC, είναι ένα εξαιρετικά ισχυρό και ανθεκτικό υλικό με ορισμένες μοναδικές ηλεκτρικές ιδιότητες.

Ο κρυσταλλικός άνθρακας μπορεί να βρεθεί κρυσταλλωμένος σε πυκνά συσκευασμένες δομές που είναι ομοιοπολικά συνδεδεμένες μεταξύ τους. Τα άτομά του σχηματίζουν δύο πρωταρχικά τετράεδρα συντονισμού με τέσσερα άτομα άνθρακα και τέσσερα άτομα πυριτίου σε κάθε γωνία που συνδέονται μέσω των γωνιών τους για να σχηματίσουν πολυτυπικές δομές που ονομάζονται πολυτύποι.

Φυσικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα εξαιρετικά σκληρό υλικό με σκληρότητα Mohs μεταξύ 9 και 10, που βρίσκεται κάπου ανάμεσα στην αλουμίνα και το διαμάντι. Το καρβίδιο του πυριτίου βρίσκει εκτεταμένη χρήση ως λειαντικό υλικό στη σύγχρονη λαπιδοποιία, σε εργασίες λείανσης και μηχανικής κατεργασίας, ως πυρίμαχη επένδυση για βιομηχανικούς κλιβάνους, εργαλεία κοπής, ανθεκτικά στη φθορά μέρη αντλιών και πυραυλοκινητήρων, καθώς και ως ανθεκτική στη φθορά ταινία πρόσφυσης σε πατίνια, καθώς και στην εκτύπωση καρβονίου - τη διαδικασία εφαρμογής κόκκων καρβονίου σε πλάκα αλουμινίου και στη συνέχεια εκτύπωσης σε χαρτί με χρήση πρέσας κυλιόμενου τύπου (Mountain).

Τα συνθετικά πολυκαρβονικά μπορούν να παραχθούν συνθετικά χρησιμοποιώντας είτε αντιδραστικό δεσμό είτε διεργασίες πυροσυσσωμάτωσης, με την τελευταία να ενισχύεται με την προσθήκη άνθρακα 0,5% ή βορίου 0,5% ως βοήθημα πυροσυσσωμάτωσης, ώστε να αποτρέπεται η επιφανειακή διάχυση και να τροποποιείται η ενέργεια των ορίων των κόκκων (Mountain).

Το SiC είναι ένα εντυπωσιακό βιομηχανικό κεραμικό με ποικίλες μηχανικές ιδιότητες που το καθιστούν ανεκτίμητο σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές. Με υψηλή θερμική αγωγιμότητα και χαμηλούς ρυθμούς θερμικής διαστολής, η χρήση του στα ηλεκτρονικά ισχύος για συστήματα κίνησης επίγειων ηλεκτρικών οχημάτων έχει γίνει πιο διαδεδομένη από ποτέ. Επιπλέον, τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του SiC θα μπορούσαν επίσης να αντικαταστήσουν τους παραδοσιακούς ημιαγωγούς πυριτίου σε εφαρμογές υψηλότερης τάσης, όπως μετατροπείς έλξης για ηλεκτρικά οχήματα και μετατροπείς DC/DC για σταθμούς φόρτισης.

Χημικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να προστεθεί με άζωτο και φώσφορο για να σχηματιστούν ημιαγωγοί τύπου n, ενώ το βηρύλλιο, το βόριο, το αλουμίνιο και το γάλλιο μπορούν να προστεθούν σε αυτό για να δημιουργηθούν ημιαγωγοί τύπου p. Λόγω της στενά στοιβαγμένης και συμμετρικής δομής του, το καρβίδιο του πυριτίου παρέχει μια ιδανική πλατφόρμα για ντοπάρισμα.

Το πυρίμαχο υλικό είναι σκληρό, εύθραυστο και θερμικά αγώγιμο. Αντέχει σε υψηλές θερμοκρασίες και τάσεις, ενώ ο χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής του προσφέρει πλεονεκτήματα όταν χρησιμοποιείται για εφαρμογές που υπόκεινται σε διακυμάνσεις της θερμοκρασίας.

Αν και ο φυσικός μοισσανίτης (Csi3SiO6) μπορεί να βρεθεί σε μετεωρίτες και στον κιμπερλίτη, το μεγαλύτερο μέρος του καρβιδίου του πυριτίου που πωλείται σήμερα είναι συνθετικό. Κυκλοφορεί σε πολλές μορφές, από πράσινους έως μαύρους κρυσταλλικούς κόκκους έως πλακίδια SiC έξι ιντσών που χρησιμοποιούνται για εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος, και είναι χημικά αδρανές, καθώς αντιστέκεται στη διάβρωση από οργανικά οξέα και αλκάλια, με εξαίρεση το υδροφθορικό και το θειικό οξύ- αδιάλυτο στο νερό ή άλλους διαλύτες, αλλά διαλυτό σε λιωμένα αλκάλια όπως το NaOH ή το KOH.

Ηλεκτρικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα ημιαγωγικό υλικό, το οποίο βρίσκεται μεταξύ των μετάλλων (που αγωγιμοποιούν τον ηλεκτρισμό) και των μονωτών (που δεν αγωγιμοποιούνται). Οι ηλεκτρικές ιδιότητες του SiC εξαρτώνται από τη θερμοκρασία και τις προσμίξεις στη σύνθεσή του: σε χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργεί σαν μονωτής, ενώ σε υψηλότερες θερμοκρασίες η αγωγιμότητά του γίνεται αισθητή. Η αγωγιμότητα του SiC μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω με την προσθήκη προσμίξεων αλουμινίου, βορίου ή γαλλίου, οι οποίες αυξάνουν τους ελεύθερους φορείς φορτίου και μετατρέπουν το SiC σε ημιαγωγό τύπου P.

Ο συνδυασμός φυσικών και χημικών ιδιοτήτων του πηλού τον καθιστούν ελκυστικό υλικό σε διάφορες βιομηχανίες, από τις κεραμικές πλάκες που αυξάνουν την αντοχή στην τριβή και την αντοχή των φρένων μέχρι την υψηλή θερμική αγωγιμότητα και τον χαμηλό συντελεστή διαστολής που του επιτρέπουν να χρησιμοποιείται σε εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών.

Επιπλέον, το μοναδικό χάσμα ζώνης του επιτρέπει τη λειτουργία του σε υψηλότερες τάσεις και συχνότητες από ό,τι τα παραδοσιακά ηλεκτρονικά με βάση το πυρίτιο, καθιστώντας το ιδανικό υλικό για συσκευές ισχύος όπως δίοδοι, τρανζίστορ και θυρίστορ.

Θερμικές ιδιότητες

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα ανόργανο κεραμικό με εξαιρετικές θερμικές ιδιότητες, που το καθιστούν κατάλληλο για πολλές διαφορετικές εφαρμογές. Το καρβίδιο του πυριτίου βρίσκει χρήση σε εφαρμογές που κυμαίνονται από εξαρτήματα ανθεκτικά στη φθορά και λειαντικά λόγω της σκληρότητάς του, σε πυρίμαχα υλικά και κεραμικά λόγω της αντίστασής του στη θερμότητα και της χαμηλής θερμικής διαστολής του, καθώς και στα ηλεκτρονικά όπου η ικανότητά του να άγει τον ηλεκτρισμό σε ακραίες θερμοκρασίες.

Το SiC είναι ένας αποτελεσματικός θερμικός αγωγός λόγω της κυβικής κρυσταλλικής δομής του διαμαντιού με τα μισά άτομα να έχουν αντικατασταθεί με πυρίτιο, παρέχοντας ανώτερη θερμική αγωγιμότητα. Το SiC διαθέτει ένα αποτελεσματικό χάσμα ζώνης που επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να μετακινούνται εύκολα μεταξύ των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας σε σύγκριση με τους μονωτές που απαιτούν υπερβολικά ποσά ενέργειας για να διασχίσουν τα ηλεκτρόνια αυτό το χάσμα μεταξύ των ζωνών τους.

Η κρυσταλλική δομή του SiC μπορεί να λάβει διάφορες μορφές, γνωστές ως πολυτύποι. Κάθε πολυτύπος αποτελείται από στρώματα στοιβαγμένα σε συγκεκριμένες αλληλουχίες στοίβαξης που οδηγούν σε μοναδικές ατομικές διατάξεις - αυτό προσδίδει στο SiC εξαιρετικά υψηλή ειδική θερμότητα και χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής.