Ränikarbiidi kõrge sulamistemperatuur

Ränikarbiid on äärmiselt kõva ja tugev mitte-oksiidne keraamiline materjal, millel on suurepärased kõrge temperatuuri omadused ja mida kasutatakse laialdaselt mitmetes tööstusharudes nõudlikes rakendustes.

Argoonis 1500-2100 kraadi juures katsetatud proovide fraktograafiline uurimine näitas, et ainult kõige välimine kiht oli oksüdeerunud; ainult selle oksiidskaala sisaldas deformeerunud ja piklikke booriterasid koos ümbritsevate WO3 viskeritega.

Termodünaamika

Ränikarbiid (SiC) on inertne keraamiline materjal, millel on palju soovitavaid tööstusomadusi. Nende hulka kuuluvad suur tugevus, kulumiskindlus, soojusšokikindlus ja soojusjuhtivus, samuti on see happekindel ja leeliskindel ning suudab taluda temperatuuri kuni 1600 °C.

SiC võib toimida kas elektriisolaatorina või pooljuhina, sõltuvalt selle legeerimistasemest ja koostisest. Lämmastiku või fosfori lisamine tekitab n-tüüpi juhtivuse, samas kui boori, galliumi või alumiiniumi lisamine võib tekitada p-tüüpi juhtivuse.

Ränikarbiidi kasutatakse tänapäeval laialdaselt erinevates tööstusharudes, alates terase tootmisest, metallide kuumtöötlemisest, valuklaasi tootmisest ning keraamika ja elektroonikakomponentide valmistamisest kuni komposiitpommide (näiteks Chobham soomus) ja kuulikindlate vestide valmistamiseni.

SiC sulab nii rõhu kui ka temperatuuri funktsioonina, kusjuures selle sulamistemperatuur määratakse mõlema muutuja abil. Madalal rõhul näitab tema faasidiagramm inkongruentset sulamist, mis toimub 3C kuubilise kristalli ja 6H heksagonaalse kristalli tasakaaluseguna (vt [17]). Kõrgematel rõhkudel on aga uuringutes täheldatud, et see sulab kongruentselt, moodustades vedeliku, mille sulamiskõvera on üheselt mõistetav, nagu on näha joonisel 5. Selle aeglane kineetika on tõenäoliselt tingitud suurtest erinevustest süsiniku aatomiraadiuse erinevuste ja räni aatomiraadiuse erinevuste vahel (vt [18].

Surve

Ränikarbiid on jõudnud pealkirjadesse tänu oma pooljuhtimisomadustele, eriti selle paremale pingetaluvusele võrreldes tavalise räniga. Lisaks sellele saab ränikarbiidi kasutada ka abrasiivina ja tulekindlates rakendustes, näiteks autode kõrgtehnoloogilistes pidurikettides.

SiC esineb kõige sagedamini alfa-ränikarbiidina (a-SiC), mille heksagonaalne kristallstruktuur sarnaneb Wurttsiidile. Siiski võib madalamatel temperatuuridel moodustuda ka beeta-vorm, kuid selle kaubanduslik kasutusala on piiratud. SiC on tuntud kui sitke ja vastupidav materjal, millel on teemandilaadsed omadused ning mis on vastupidav kuumusele ja korrosioonile.

Ränikarbiidi toodetakse pulbri või kristallidena kasutamiseks mitmesugustes tulekindlates, abrasiivsetes ja metallurgilistes rakendustes. Koos grafiidiga kasutatakse seda sageli süsinikkiududega tugevdatud ränikarbiidi tootmiseks, mida kasutatakse autode kõrgtehnoloogilistes piduriketastes.

Lely-protsess on ränikarbiidi valmistamise parim viis. See hõlmab räniliiva ja kivisöe (tavaliselt koksi) segu kuumutamist väga kõrgel temperatuuril graniidist tiiglis, kus elektroodina toimib süsinikujuht, samal ajal kui elektrivool läbib koksi, tekitades keemilisi reaktsioone, mis võimaldavad madalamatel temperatuuridel sublimatsiooni ja jahedamatel temperatuuridel grafiitvarrastel sadestumist, mille tulemuseks on puhtad rohelised ränikarbiidi kristallid, mida nimetatakse moissanidiks.

Diffusioon

Ränikarbiid (SiC) on äärmiselt kõrge sulamistemperatuuriga (2700oC) amorfne kristalne materjal. Tugevate kovalentsete sidemete tõttu Si ja C aatomite vahel on ränikarbiid äärmiselt kõva ja rabe, kuid ei vasta teemandi kõvadusele (9,5 Mohsi skaala). Leitakse looduslikult moissanitina, mis avastati Canyon Diablo meteoriidikraatris Arizonas 1893. aastal; alternatiivselt valmistatakse kunstlikult, kasutades ränidioksiidi ja süsiniku redutseerimist elektriahjus kõrgetel temperatuuridel.

Ränikarbiidi kasutatakse laialdaselt selle erakordsete füüsikaliste ja keemiliste omaduste tõttu. Sellel on suurepärased elektrilised omadused, näiteks 10 korda suurem pingekindlus kui tavalisel ränil ja see toimib paremini üle 1000 V töötavates süsteemides kui galliumnitriid; lisaks sellele on see termilise šoki ja kulumiskindlusega.

Ränikarbiidi isoleerimisvõime suurendamiseks on see sageli kaetud süsinikukihiga (tuntud kui C-kate), et leevendada selle lagunemist kõrge temperatuuri lõõmutamise käigus. Kahjuks võib see kate aga avaldada ka kahjulikku mõju isedifusioonile, soodustades Frenkeli paaride moodustumist ja luues liikumatuid antisiite (vt selle nähtuse illustratsiooni joonisel 4). Joonisel 4 on näidatud katteta ja C-kattega proovide võrdlus, mida lõõmutati 1700oC juures ühe tunni jooksul; 30 profiili kuju erineb proovide vahel, kuna C-kattega proovidel, mida lõõmutati 1700oC juures ühe tunni jooksul, on mõlemal proovil olemas augud, mida tõendavad erinevused nende isedifusioonikõverate Arrheniuse graafikute vahel (mis näitavad C-kattega proovil esinevaid augud).

Temperatuur

Ränikarbiid (SiC) on mitte-oksiidne keraamiline materjal, millel on märkimisväärne termiline stabiilsus ja tugevus kõrgel temperatuuril. SiC koosneb tihedalt paigutatud süsinik- ja räni aatomitest, mis on seotud kristallvõrega, ning sellel on väga kõrge sulamistemperatuur - see omadus muudab selle sobivaks tööstuslikuks kasutamiseks äärmuslikel temperatuuridel.

Puhas SiC ei ole suurepärane elektrijuht, kuid selle legeerimine spetsiifiliste legeerivate ainetega suurendab oluliselt selle juhtivust. Lisaks sellele ületab SiC termilise šoki vastupidavus ja roomavuskindlus teisi kõrge temperatuuriga keraamilisi materjale, nagu alumiiniumoksiid või borkarbiid.

Terasetööstuses on 90% ränikarbiid põhiliste hapnikuahjude (BOF) lahutamatu osa. See toimib kütusena, et suurendada vanametalli ja kuuma metalli suhet ja tõsta kraanitemperatuuri; lisaks aitab see desoksüdeerida terast, puhastades samal ajal selle sulatusbasseinist lisandeid - samuti on see tõhus vahend süsinikusisalduse taseme kontrollimiseks terasesulas.

SiC-d ei kasutata mitte ainult terasetööstuses, vaid sellel on ka palju muid rakendusi. Näiteks on see tõhus katalüsaator nii polüvinüülkloriidi kui ka muude orgaaniliste ühendite tootmisel. Lisaks saab ränikarbiidi kasutada alumiiniumoksiidi ja borkarbiidide tootmiseks; lisaks on see lahutamatu osa komposiitpommituses, näiteks Chobham'i soomusmasinates.