Ιδιότητες καρβιδίου του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα εξαιρετικά ανθεκτικό υλικό με εξαιρετικά σκληρή σκληρότητα 9 στην κλίμακα Mohs και αισθητική που ανταγωνίζεται το διαμάντι.

Η EAG Laboratories έχει εκτεταμένη εμπειρία στην ανάλυση του SiC για αυτές τις ιδιότητες χρησιμοποιώντας τεχνικές ανάλυσης χύδην και χωρικής ανάλυσης. Μπορεί να χρησιμεύσει τόσο ως ηλεκτρικός μονωτής όσο και ως ημιαγωγός.

Σκληρότητα

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι μία από τις σκληρότερες ουσίες στον κόσμο, κατατάσσεται στην ένατη θέση της κλίμακας Mohs και είναι δεύτερο μετά το διαμάντι από άποψη σκληρότητας. Το καρβίδιο του βορίου και το διαμάντι είναι ακόμη πιο σκληρά από το καρβίδιο του πυριτίου - άλλες χρήσεις του περιλαμβάνουν εργαλεία κοπής, αλεξίσφαιρα γιλέκα, εξαρτήματα αυτοκινήτων και κάτοπτρα για αστρονομικά τηλεσκόπια. Η σκληρή και ισχυρή επιφάνεια του καρβιδίου του πυριτίου είναι ιδανική για χρήση ως λειαντικά κοπής και εργαλεία κοπής, δομικά υλικά (αλεξίσφαιρα γιλέκα), εξαρτήματα αυτοκινήτων και κάτοπτρα που χρησιμοποιούνται από τηλεσκόπια!

Το ανθεκτικό σε θερμικό σοκ κεραμικό είναι ένα εξαιρετικά σκληρό, μη οξειδωμένο κεραμικό. Λόγω της αντοχής του, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, του χαμηλού ρυθμού θερμικής διαστολής και της εξαιρετικής αντοχής του στην οξείδωση, αυτό το καθιστά απαραίτητο πυρίμαχο υλικό.

Το καρβίδιο του πυριτίου (ατομικός αριθμός 14) και ο άνθρακας (ατομικός αριθμός 6) σχηματίζουν μια ανόργανη ένωση γνωστή ως καρβίδιο του πυριτίου, με δύο πρωτογενή τετράεδρα συντονισμού που σχηματίζονται από ομοιοπολικά συνδεδεμένα τέσσερα άτομα άνθρακα και τέσσερα άτομα πυριτίου ομοιοπολικά συνδεδεμένα μεταξύ τους, δημιουργώντας μια εξαιρετικά ισχυρή και άκαμπτη στενά στοιβαγμένη δομή με ανώτερη αντοχή και ακαμψία- οι πολυστοιχίες του μπορούν ακόμη και να στοιβάζονται για να σχηματίσουν πολυστοιχίες. Το καρβίδιο του πυριτίου παρέχει ιδιότητες ημιαγωγού με ευρύ διάκενο ζώνης που απαιτεί τρεις φορές λιγότερη ενέργεια για την απελευθέρωση ηλεκτρονίων από τροχιακές καταστάσεις σε σύγκριση με το πυρίτιο.

Αντοχή στη διάβρωση

Η σημαντικότερη ιδιότητα του καρβιδίου του πυριτίου είναι η αντοχή του στη διάβρωση. Όχι μόνο είναι ανθεκτικό στα πιο επιθετικά οξέα (υδροχλωρικό, θειικό και υδροφθορικό), βάσεις και διαλύτες που μπορεί να φανταστεί κανείς - καθώς και σε οξειδωτικά μέσα όπως το νιτρικό οξύ ή ο ατμός - αλλά διαθέτει ακόμη και εξαιρετικές μονωτικές ιδιότητες έναντι βλαβών από ακραίες θερμοκρασίες ή ηλεκτρικά πεδία.

Το καρβίδιο του πυριτίου σε πυροσυσσωμάτωση προσφέρει εξαιρετική θερμική αντίσταση λόγω της πυκνής του φύσης, της σκληρότητάς του, των χαρακτηριστικών του ημιαγωγού με ευρύ χάσμα ζώνης που επιτρέπει χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας ηλεκτρονίων για τη μετατόπιση της ζώνης αγωγιμότητας και του χαμηλού συντελεστή θερμικής διαστολής του.

Η αντίσταση στη διάβρωση μπορεί επίσης να ενισχυθεί μέσω της παρουσίας πρόσθετων πυροσυσσωμάτωσης, φάσεων στα όρια των κόκκων και πορώδους- ο τύπος και η ποσότητά τους εξαρτάται από το πόσο γρήγορα αντιδρά η διάβρωση με άλλα περιβάλλοντα.

Οι καταστάσεις οξείδωσης του καρβιδίου του πυριτίου μπορούν να ελεγχθούν μέσω της δράσης του άνθρακα ως παθητικοποιητικού παράγοντα, συμβάλλοντας στη μείωση των ποσοστών διάβρωσης και στην παράταση της διάρκειας ζωής των προϊόντων όταν εκτίθενται σε οξειδωτικά περιβάλλοντα κατά τη χρήση.

Θερμική αγωγιμότητα

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα εξαιρετικά σκληρό υλικό, το οποίο βρίσκεται κάπου μεταξύ της αλουμίνας (9 στην κλίμακα Mohs) και του διαμαντιού (10). Λόγω του συνδυασμού σκληρότητας και θερμικής σταθερότητας, το καρβίδιο του πυριτίου αποτελεί εξαιρετική επιλογή υλικού για απαιτητικές μηχανικές εφαρμογές σε εξαρτήματα σχεδιασμένα να αντέχουν σε υλικά ανθεκτικά στη φθορά καθώς και σε πυρίμαχα υλικά.

Επίσης, λόγω της εξαιρετικής αντοχής του σε θερμικά σοκ και του χαμηλού ρυθμού θερμικής διαστολής, το καουτσούκ σιλικόνης είναι κατάλληλο για χρήση σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας και εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται σε συστήματα σωληνώσεων.

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να προστεθεί με διάφορα στοιχεία για να μεταβληθούν οι ηλεκτρονικές του ιδιότητες. Η πρόσμιξη με άζωτο ή φώσφορο το μετατρέπει σε ημιαγωγό τύπου n, ενώ η πρόσμιξη με βηρύλλιο, βόριο ή αλουμίνιο το μετατρέπει σε ημιαγωγό τύπου p.

Η διαφορά του χάσματος ζώνης του καρβιδίου του πυριτίου μεταξύ των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας καθιστά δυσκολότερη την εναλλαγή των ηλεκτρονίων μεταξύ των δύο ζωνών, επιτρέποντάς του να αντέχει έως και 10 φορές περισσότερα ηλεκτρικά πεδία πριν γίνει εύθραυστο και καταρρεύσει από ό,τι η σιλικόνη.

Ηλεκτρική αγωγιμότητα

Το καρβίδιο του πυριτίου προσφέρει μια σειρά ηλεκτρικών ιδιοτήτων που μπορούν να προσαρμοστούν με πρόσμιξη. Η πρόσμιξη περιλαμβάνει την προσθήκη προσμίξεων στην κρυσταλλική δομή του, προκειμένου να σχηματιστούν ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές που αγωγιμοποιούν τον ηλεκτρισμό, δίνοντας στο SiC τιμές αγωγιμότητας δέκα φορές μεγαλύτερες από το πυρίτιο.

Οι ηλεκτρικές ιδιότητες του καρβιδίου του πυριτίου καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από το χάσμα ζώνης του. Αυτή η διαφορά μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων της ζώνης σθένους και της ζώνης αγωγιμότητας ενός ατόμου καθορίζει το πόσο ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να αντέξει- το καρβίδιο του πυριτίου διαθέτει ευρύτερο χάσμα ζώνης από το αντίστοιχο του πυριτίου, επιτρέποντάς του να αντέχει σχεδόν διπλάσια τάση.

Η υψηλή αντίσταση στην τάση καθιστά το νεοδύμιο ιδανικό για χρήση σε συσκευές τροφοδοσίας ηλεκτρικών οχημάτων, παρέχοντας μεγαλύτερες αποστάσεις οδήγησης και αυξημένη αποδοτικότητα στη διαχείριση της μπαταρίας. Επιπλέον, το μικρότερο βάρος του σε σύγκριση με εναλλακτικές λύσεις όπως το νιτρίδιο του γαλλίου επιτρέπει στους κατασκευαστές ηλεκτρονικών ισχύος να μειώσουν σημαντικά το μέγεθος και το βάρος, ενώ παράλληλα αντέχει σε υψηλές θερμοκρασίες με ελάχιστο συντελεστή θερμικής διαστολής.