Η πυκνότητα του καρβιδίου του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου, που αναφέρεται ευρύτερα ως καρμπορούνδιο ή SiC, είναι ένα σκληρό κεραμικό υλικό με πολυάριθμες εφαρμογές. Αυτή η ευπροσάρμοστη ουσία χρησιμεύει ως λειαντικό, έχει ιδιότητες ημιαγωγού με ευρύ χάσμα ζώνης και μπορεί ακόμη και να κατασκευαστεί σε δομικά κεραμικά εξαρτήματα.

Η παραγωγή περιλαμβάνει την αντίδραση και την πυρολύση πολυσιλοξανίων υπό πίεση, που αλέθονται σε μορφή σκόνης, πυροσυσσωμάτωση για να σχηματίσουν στερεά σχήματα, και στη συνέχεια άλεση για την τελική διαμόρφωση της μικροδομής. Κάθε στάδιο παίζει αναπόσπαστο ρόλο στην παραγωγή αυτού του τελικού υλικού με διαφορετικά αποτελέσματα ανάλογα με τις μεθόδους διαμόρφωσης που χρησιμοποιούνται - με αυτές να έχουν σημαντική επίδραση στη μικροδομή.

Θεωρητική πυκνότητα

Η πυκνή σύνθεση του καρβιδίου του πυριτίου παίζει καθοριστικό ρόλο στην ικανότητά του να αντιστέκεται στις χημικές, θερμικές και μηχανικές καταπονήσεις. Με ανώτερες ιδιότητες σκληρότητας και θερμικής αγωγιμότητας, το καρβίδιο του πυριτίου αποτελεί εξαιρετική επιλογή υλικού για εφαρμογές υψηλών επιδόσεων και υψηλών καταπονήσεων.

Τα πυκνότερα υλικά τείνουν να προσφέρουν μεγαλύτερη αντοχή στη διάβρωση και τη φθορά. Επιπλέον, οι χαμηλοί ρυθμοί διαστολής/συρρίκνωσης τους επιτρέπουν να αντέχουν καλύτερα στις ακραίες θερμοκρασίες - γεγονός που τα καθιστά ιδανικά για ηλεκτρικά συστήματα και συστήματα αερίου.

Το SiC είναι επίσης εξαιρετικά ανθεκτικό στην ακτινοβολία και έχει ασυνήθιστα μεγάλο χάσμα ζώνης σε σύγκριση με άλλους ημιαγωγούς, επιτρέποντάς του να λειτουργεί σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες, τάσεις και συχνότητες σε σύγκριση με τους ομοειδείς του. Συνεπώς, το SiC μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μια ποικιλία ηλεκτρονικών και βιομηχανικών εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής ενέργειας, της αεροδιαστημικής και της αυτοκινητοβιομηχανίας.

Η επίτευξη υψηλών πυκνοτήτων SiC μπορεί να αποτελέσει πρόκληση για μεγάλα εξαρτήματα. Όμως, με την τεχνολογία συμπίεσης ράμπας, η επίτευξη ομοιόμορφων πυκνοτήτων έως και 98% της θεωρητικής πυκνότητας έχει πλέον καταστεί δυνατή. Η διαδικασία περιλαμβάνει τη δημιουργία μιας ομοιογενούς διασποράς μίγματος σκόνης μεγέθους υπομικρών που αποτελείται κυρίως από καρβίδιο του πυριτίου με ένα πρόσθετο που περιέχει βόριο, και στη συνέχεια τη διαμόρφωση αυτού του μίγματος σκόνης σε πράσινα σώματα πριν από τη σύντηξη στους 1900deg-2100deg C υπό συνθήκες ελεγχόμενης ατμόσφαιρας.

Τα πρόσθετα που περιέχουν βόριο πρέπει να προστίθενται κατά την ανάμιξη της σκόνης σε ποσότητα ισοδύναμη με ένα μέρος κατά βάρος στοιχειακού βορίου ανά 100 μέρη καρβιδίου του πυριτίου, για ασφαλή συμπύκνωση χωρίς διαχωρισμό στα όρια των κόκκων.

Φυσική πυκνότητα

Το καρβίδιο του πυριτίου (C-Si) είναι ένα τεχνητό υλικό που αποτελείται από άνθρακα (C) και πυρίτιο (Si). Έχει τη δεύτερη σκληρότητα Mohs μετά το καρβίδιο του βορίου με 9 και προσφέρει εξαιρετική αντοχή, αντοχή στη φθορά και αντοχή στη διάβρωση- στην πραγματικότητα μπορεί να αντέξει ακόμη και την έκθεση σε υδροφθορικό και θειικό οξύ χωρίς να διαβρωθεί - συν το νερό, τα περισσότερα χημικά, συμπεριλαμβανομένων των αλκαλίων, δεν μπορούν να το διαλύσουν! Η ευελιξία του καρβιδίου του πυριτίου ως μηχανικού υλικού το καθιστά επίσης δημοφιλές στους επιστήμονες.

Καθώς μπορεί να αντέξει σε εργασίες κοπής και λείανσης υψηλών ταχυτήτων, καθώς και να χρησιμοποιηθεί για αμμοβολή και μηχανουργικές εφαρμογές, η σμύριδα χρησιμοποιείται ευρέως για σύγχρονες λαπιδαρίστικες εργασίες λόγω της ανθεκτικότητας και της οικονομικής αποδοτικότητάς της. Επιπλέον, χρησιμεύει ως σημαντική πρώτη ύλη για την παραγωγή ενώσεων λείανσης και στίλβωσης.

Το καρβίδιο του πυριτίου έχει αναδειχθεί σε πρωταρχικό υλικό της διαστημικής τεχνολογίας λόγω της εξαιρετικής ανθεκτικότητας και της ανθεκτικότητάς του σε επίπεδο ακτινοβολίας. Ως εκ τούτου, κάτοπτρα από καρβίδιο του πυριτίου έχουν γίνει η επιλογή αρκετών από τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια, όπως οι αποστολές Herschel και BepiColombo, ή μπορούν ακόμη και να διαμορφωθούν σε άκαμπτα πλαίσια για να αντέξουν θερμοκρασίες που απαντώνται στην Αφροδίτη και επίπεδα ακτινοβολίας που υπερβαίνουν τις προσδοκίες.

Πρόσφατα πειραματικά στοιχεία αποδεικνύουν ότι το α-SiC είναι σταθερό στη φάση Β1 σε ένα ευρύ φάσμα συνθηκών που αντιστοιχούν στις αναμενόμενες συνθήκες του μανδύα των πλούσιων σε άνθρακα εξωπλανητών, σε αντίθεση με τη συμπεριφορά του στη Γη, όπου διασπάται γρήγορα σε διοξείδιο του πυριτίου και οξυγόνο.

Χημική πυκνότητα

Το καρβίδιο του πυριτίου, πιο συχνά αναφερόμενο ως SiC, είναι μια χημική ένωση που αποτελείται από πυρίτιο (ατομικός αριθμός 14) και άνθρακα (ατομικός αριθμός 6). Διαθέτει ιριδίζουσα πράσινη έως κυανόμαυρη εμφάνιση με χαρακτηριστικά μη καυστικότητας- η πυκνότητά του ανέρχεται σε 3,21 γραμμάρια ανά κυβικό cm3.

Το καρβίδιο του πυριτίου απαντάται στη φύση σε μετεωρίτες, κοιτάσματα κορούνδιο και κοιτάσματα κιμπερλίτη σε περιορισμένες ποσότητες- ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος του καρβιδίου του πυριτίου που χρησιμοποιείται σε ηλεκτρονικές συσκευές παράγεται συνθετικά. Ο Edward Acheson συνέθεσε για πρώτη φορά συνθετικά καρβίδιο του πυριτίου το 1891, όταν προσπάθησε να δημιουργήσει τεχνητά διαμάντια θερμαίνοντας πηλό και κονιοποιημένο κοκ σε κλίβανο ηλεκτρικού τόξου- όταν το έκανε αυτό παρατήρησε φωτεινούς πράσινους κρυστάλλους που έμοιαζαν με διαμάντια προσκολλημένους σε ηλεκτρόδια άνθρακα και ονόμασε τους κρυστάλλους αυτούς "μοισσανίτη" από το είδος της πέτρας με την οποία έμοιαζαν.

Το SiC είναι ένα ημιαγωγικό υλικό με εξαιρετικά ευρύ χάσμα ζώνης, που του επιτρέπει να λειτουργεί σε υψηλότερες θερμοκρασίες και τάσεις από άλλα ημιαγωγικά υλικά. Λόγω της εξαιρετικής θερμικής αγωγιμότητάς του, η απαγωγή της θερμότητας γίνεται γρήγορα, ενώ η πυκνή κρυσταλλική δομή του παρέχει εξαιρετική αντοχή στη φθορά - ιδανική για εφαρμογές όπως τα κοπτικά εργαλεία.

Τα εργαστήρια EAG έχουν εκτεταμένη εμπειρία στην ανάλυση SiC χρησιμοποιώντας τόσο χύμα όσο και χωρικά διαχωρισμένες αναλυτικές τεχνικές. Το SiC είναι ένα εξαιρετικά χρήσιμο υλικό για την κατασκευή ημιαγωγών, καθώς μπορεί να προστεθεί με διάφορα στοιχεία για να αλλάξει τα ηλεκτροθερμικά χαρακτηριστικά του. Η διασφάλιση της συγκέντρωσης και της χωρικής κατανομής των προσμίξεων με ταυτόχρονη εξάλειψη των ανεπιθύμητων προσμίξεων είναι υψίστης σημασίας για τη δημιουργία προϊόντων ημιαγωγών υψηλής ποιότητας.

Θερμική πυκνότητα

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα εξαιρετικά πυκνό υλικό και μία από τις σκληρότερες διαθέσιμες ουσίες, παρέχοντας εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση ως κεραμικό υλικό που θα μπορούσε ενδεχομένως να μειώσει τα ενεργά συστήματα ψύξης στα ηλεκτρικά οχήματα.

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα ομοιοπολικά συνδεδεμένο ανοιχτό γκρι στερεό με τη σχετική σκληρότητα του διαμαντιού στην κλίμακα Mohs. Τα πυρίμαχα υλικά που διαθέτουν αυτές τις ιδιότητες είναι ιδανικά για χρήση, καθώς το SiC έχει υψηλό σημείο τήξης, θερμική αγωγιμότητα και χαμηλούς ρυθμούς θερμικής διαστολής.

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να προστεθεί με άζωτο ή φώσφορο για να σχηματίσει ημιαγωγό τύπου n ή να προστεθεί με βηρύλλιο, βόριο, αλουμίνιο και γάλλιο για να γίνει ημιαγωγός τύπου p. Λόγω του μεγάλου χάσματος ζώνης που του επιτρέπει να αντέχει τρεις φορές υψηλότερη τάση από τους τυπικούς ημιαγωγούς πυριτίου. Το καρβίδιο του πυριτίου έχει γίνει το πρώτο υλικό για την παραγωγή ηλεκτρονικών συσκευών λόγω της ευρείας χρήσης του ως υλικό ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.

Φυσικά κοιτάσματα SiC υπάρχουν σε ορισμένα δείγματα μετεωριτών, κοιτάσματα κορούνδιο και κιμπερλίτη, αλλά το μεγαλύτερο μέρος του βιομηχανικού SiC παράγεται συνθετικά. Οι παραλλαγές SSiC και SiSiC συγκαταλέγονται μεταξύ των πιο συχνά χρησιμοποιούμενων υλικών για απαιτητικές συνθήκες όπως η τρισδιάστατη εκτύπωση, η παραγωγή βαλλιστικής, η χημική παραγωγή και οι εφαρμογές ενεργειακής τεχνολογίας, καθώς και τα εξαρτήματα συστημάτων σωληνώσεων λόγω των θερμικών ιδιοτήτων τους. η υψηλότερη πυκνότητά τους σε σχέση με τον καθαρό χαλαζία καθιστά αυτές τις ενώσεις ελκυστική αντικατάσταση μετάλλων και προσφέρουν καλές ιδιότητες ακαμψίας, σκληρότητας και αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες που ανταγωνίζονται τις θερμικές ιδιότητες του καθαρού χαλαζία σε σύγκριση με τον καθαρό χαλαζία και την αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, καθιστώντας αυτές τις ενώσεις ελκυστικές εναλλακτικές λύσεις αντικατάστασης μετάλλων.