Ränikarbiidi valem

Ränikarbiid (SiC) on äärmiselt kõva räni ja süsiniku sünteetiline ühend, mis esineb looduslikult moissanitina ja vähemal määral ka süsinikdioksiidi sisaldavates meteoriitides.

Kvartsi, mida toodetakse räniliiva ja koksi sulatamisel kõrgel temperatuuril elektriahjus, on vähemalt 70 erinevat kristallvormi; kõige levinum on vurttsiidi sarnase heksagonaalse kristallstruktuuriga alfavorm.

Füüsikalised omadused

Ränikarbiid, mida üldisemalt nimetatakse karborundiks, on erakordse kõvaduse ja keemilise vastupidavuse omadustega mitteoksüdeeriv keraamiline ühend, mis on teemandi järel teisel kohal. Lisaks sellele peab ränikarbiid puhtal kujul vastu oksüdeerumisele kõrgematel temperatuuridel, mis tagab usaldusväärsema elektrijuhtivuse ja elektrijuhtivuse.

Kuumutage räniliiva koos süsinikuga elektriahjus, et toota SiC. Saadud rohelisest kuni sinakasmustani ulatuvat kristallilist materjali saab seejärel eraldada erinevate füüsikaliste omadustega klassidesse: näiteks metallurgilise klassi A kristallid on jämedate kihtidega, samas kui klassi b kristallid moodustavad siledamad struktuurid.

Need mitmekihilised kihilised struktuurid on eriliste elektriliste, optiliste ja soojuslike omadustega. Nende aatomisidemed koosnevad neljast räni aatomist, mis on seotud nelja süsinikuaatomiga korrapäratult ruudukujuliselt, moodustades neli kuusnurkset kristalli; see tagab laia ribalõhega pooljuhtide omadused. Ekstrusiooni või külma isostaatilise pressimisega saab neid materjale vormida vardadeks või torudeks, mida saab kasutada varrastena ja torudena.

Keemilised omadused

Ränikarbiid (SiC), mida üldisemalt nimetatakse karborundiks, on räni ja süsiniku sitke keemiline ühend, millel on laia ribalõhega pooljuhtide omadused. SiC on oma olemuselt tulekindel ja tuntud ka oma kõrge soojusjuhtivuse ja madala soojuspaisumise omaduste poolest, mis muudavad selle väga vastupidavaks soojusšokkide suhtes.

Kristalliline SiC kristalliseerub tihedalt pakitud struktuuris, kus neli räni ja neli süsiniku aatomit on seotud tetraeedrilise koordinatsiooniga, ja sellel on üle 70 polütüübi; alfa-SiC esineb kõige sagedamini temperatuuril üle 2000 kraadi, mille kristallstruktuur on heksagonaalne, sarnane Wurttsiidile. Vahepeal esineb madalamatel temperatuuridel beetamoodustus, mille tsinkblendeline kristallstruktuur sarnaneb teemandile ja sfaleriidi moodustumine.

Karborund on looduses äärmiselt haruldane aine, kuid kosmoses leiduvas süsinikusisaldusega meteoriidis on see põhielement. Esmakordselt sünteesiti seda materjali kunstlikult 1891. aastal Edward Achesoni poolt osana tema tööst kunstlike teemantide valmistamisel, kuid lõpuks avastati see materjal looduslikult 1893. aastal Arizona Canyon Diablo meteoriidist ja nimetati Moissanite'iks Nobeli preemia laureaadi Henri Moissani järgi.

Mehaanilised omadused

Ränikarbiidil on äärmiselt kõva pind, mille Mohsi skaala hinnang Mohsi skaalal on 9, mis teeb sellest kõige kõvema mittekoksiidkeraamika ja ühe kõige kõvema materjali üldiselt. See on suurepärane materjalivalik mehaanilise kulumisega seotud rakenduste jaoks, näiteks abrasiivide ja tulekindlate materjalide jaoks, samas on tal head soojusomadused, mis taluvad nii kõrgeid temperatuure kui ka termilisi šokke.

Räni asendab poole süsinikuaatomitest, mis tagab paremad soojusjuhtimisomadused tänu räni ja süsiniku sarnasele aatomiraadiusele - see aitab vähendada footonide hajumist.

Ränikarbiid esineb kollastest rohelistest kuni sinakasmustani helendavate kristallidena, mis lagunemisel 2700 kraadi juures sublimeeruvad. Kuigi ränikarbiid on vees lahustumatu, lahustub ta sulatatud leelistes, nagu NaOH ja KOH, ning sulatatud rauas ning tema Youngi moodul ja kõvadus sõltuvad tekstuurist, virnastamisvigadest, terade suurusest ja terapiiride iseloomust.

Elektrilised omadused

Ränikarbiidi lai sagedusvahe võimaldab taluda ränist kõrgemat temperatuuri ja pinget, mistõttu see sobib rakendusteks, mis nõuavad kiireid ja samas usaldusväärseid elektroonikaseadmeid. Lisaks sellele on selle võime taluda sellist pinget hindamatu väärtusega elektrisõidukite akusüsteemides, mis vähendavad nii suurust kui ka kaalu, jättes täielikult välja inverterid.

SiC on populaarne materjal tänu oma keraamiliste ja pooljuhtide omaduste kombinatsioonile, mis aitab kaasa elektroonikatehnoloogia arengule. Lisaks sellele on tema kõvadus, tugevus, madal soojuspaisumine ja keemilise reaktsiooni vastupidavus aidanud kaasa selle populaarsuse tõusule.

Ränikarbiidi toodetakse puhta räniliiva ja süsiniku kuumutamisel elektriahjus, mille käigus saadakse nii metallurgilisi kui ka abrasiivseid valuplokke, mida tuntakse vastavalt kvaliteedile ja kasutusotstarbele a-SiC ja b-SiC nime all. Pärast valuplokkide vormimist lõigatakse need vastavalt soovitud rakendustele eri suurusteks ja kujuga, enne kui need segatakse soovitud omaduste saavutamiseks täiendavate elementidega, näiteks alumiiniumi või lämmastikuga.