Piikarbidin korkea sulamislämpötila

Piikarbidi on erittäin kova ja luja ei-oksidinen keraaminen materiaali, jolla on erinomaiset korkean lämpötilan ominaisuudet ja jota käytetään laajalti useilla teollisuudenaloilla vaativissa sovelluksissa.

Argonkaasussa 1500–2100 °C:n lämpötilassa testattujen näytteiden fraktografinen tutkimus osoitti, että vain uloimman kerroksen pinta oli hapettunut; ainoastaan sen oksidikerroksessa oli epämuodostuneita ja venyneitä boorijyvämiä, joita ympäröivät WO₃-hiukkaset.

Termodynamiikka

Piikarbidi (SiC) on inertti keraaminen materiaali, jolla on monia teollisuuden kannalta arvokkaita ominaisuuksia. Näitä ovat muun muassa suuri lujuus, kulutuskestävyys, lämpöshokkikestävyys ja lämmönjohtavuus – lisäksi se kestää happoja ja emäksiä ja kestää jopa 1600 °C:n lämpötiloja.

SiC voi toimia joko sähköeristeenä tai puolijohteena sen seostustasosta ja koostumuksesta riippuen. Typpi- tai fosforiseostus tuottaa n-tyyppisen johtavuuden, kun taas boori-, gallium- tai alumiiniseostus voi tuottaa p-tyyppisen johtavuuden.

Piin karbidia käytetään nykyään laajalti monilla teollisuudenaloilla, kuten teräksen tuotannossa, metallien lämpökäsittelyssä, tasolasin valmistuksessa sekä keraamisten ja elektroniikkakomponenttien valmistuksessa, mutta myös komposiittipanssareiden (kuten Chobham-panssarin) ja luodinkestävien liivien valmistuksessa.

SiC sulaa sekä paineen että lämpötilan vaikutuksesta, ja sen sulamislämpötila määräytyy näiden molempien muuttujien perusteella. Alhaisissa paineissa sen faasikaavio osoittaa epäsuhtaisen sulamisen, joka tapahtuu 3C-kuutiokiteen ja 6H-kuusikulmiokiteen tasapainoseoksena (ks. [17]). Korkeammissa paineissa tutkimuksissa on kuitenkin havaittu, että se sulaa yhteneväisesti muodostaen nesteen, jolla on selkeä sulamiskäyrä, kuten kuvassa 5 näkyy. Sen hidas kinetiikka johtuu todennäköisesti suurista eroista hiilen ja piin atomien säteiden välillä (ks. [18]).

Paine

Piikarbidi on noussut otsikoihin puolijohdeominaisuuksiensa ansiosta, erityisesti sen tavalliseen piihin verrattuna erinomaisen jännitteenkestävyyden vuoksi. Lisäksi piikarbidia voidaan käyttää myös hioma-aineena sekä tulenkestävissä sovelluksissa, kuten autojen korkean suorituskyvyn jarrulevyissä.

SiC esiintyy useimmiten alfa-piikarbidina (a-SiC), jonka kuusikulmainen kiderakenne muistuttaa wurtsiittia. Myös beeta-muoto voi muodostua alhaisemmissa lämpötiloissa, mutta sen kaupalliset sovellukset ovat rajallisia. SiC tunnetaan lujana ja kulutusta kestävänä materiaalina, jolla on timanttimaisia ominaisuuksia ja joka kestää hyvin lämpöä ja korroosiota.

Piikarbidia valmistetaan jauheena tai kiteinä käytettäväksi erilaisissa tulenkestävissä, hioma- ja metallurgisissa sovelluksissa. Yhdessä grafiitin kanssa sitä käytetään usein hiilikuituvahvistetun piikarbidin valmistukseen, jota käytetään autojen korkean suorituskyvyn jarrulevyissä.

Lely-prosessi on vakiintunut menetelmä piikarbidin valmistuksessa. Menetelmässä piihiekkaa ja hiiltä (yleensä koksia) sisältävää seosta kuumennetaan erittäin korkeisiin lämpötiloihin graniittisessa upokkaassa, jossa hiilijohtimena toimiva elektrodi johtaa sähkövirtaa koksin läpi. Tämä aiheuttaa kemiallisia reaktioita, jotka mahdollistavat sublimaation alhaisemmissa lämpötiloissa ja kerrostumisen grafiittitankojen pinnalle viileämmissä lämpötiloissa, jolloin syntyy puhtaita vihreitä SiC-kiteitä, joita kutsutaan moissaniteiksi.

Diffuusio

Piikarbidi (SiC) on amorfinen kiteinen materiaali, jolla on erittäin korkea sulamispiste (2700 °C). Si- ja C-atomien välisten vahvojen kovalenttisten sidosten ansiosta piikarbidi on erittäin kova ja hauras, vaikka se ei yltäkään timantin kovuuteen (9,5 Mohsin asteikolla). Sitä esiintyy luonnossa moissanitina, joka löydettiin Canyon Diablon meteoriittikraatterista Arizonassa vuonna 1893; vaihtoehtoisesti sitä valmistetaan keinotekoisesti pelkistämällä piidioksidia ja hiiltä sähköuunissa korkeissa lämpötiloissa.

Piikarbidia käytetään laajalti sen poikkeuksellisten fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien ansiosta. Sillä on erinomaiset sähköiset ominaisuudet, kuten 10 kertaa suurempi jännitteenkestävyys kuin tavallisella piillä, ja se toimii yli 1000 V:n jännitteellä toimivissa järjestelmissä paremmin kuin galliumnitridi; lisäksi se kestää hyvin lämpöshokkeja ja kulutusta.

Osana pyrkimyksiä parantaa piikarbidin eristyskykyä se peitetään usein hiilikerroksella (ns. C-cap), jolla pyritään hillitsemään materiaalin hajoamista korkean lämpötilan hehkutusprosessien aikana. Valitettavasti tällä pinnoitteella voi kuitenkin olla myös haitallisia vaikutuksia itsediffuusioon, sillä se edistää Frenkel-parien muodostumista ja luo liikkumattomia antisitejä (katso kuva 4, jossa tämä ilmiö on havainnollistettu). Kuvassa 4 esitetään vertailu pinnoittamattomien ja C-pinnoitettujen näytteiden välillä, joita on hehkutettu 1700 °C:ssa yhden tunnin ajan; Näytteiden profiilimuodot eroavat toisistaan 30:n verran, mikä johtuu molemmissa näytteissä 1700 °C:ssa yhden tunnin ajan hehkutetuissa C-pinnoitetuissa näytteissä esiintyvistä pikkurei’istä. Tämä käy ilmi niiden itsediffuusiokäyrien Arrhenius-kuvaajien eroista (mikä viittaa C-pinnoitetussa näytteessä esiintyviin pikkurei’iin).

Lämpötila

Piikarbidi (SiC) on ei-oksidinen keraaminen materiaali, jolla on erinomainen lämpöstabiilisuus ja lujuus korkeissa lämpötiloissa. SiC koostuu tiiviisti pakkautuneista hiili- ja piiatomeista, joita sitovat kiteiset hilarakenteet, ja sen sulamispiste on erittäin korkea – ominaisuus, jonka ansiosta se sopii teollisiin käyttötarkoituksiin, joissa esiintyy äärimmäisiä lämpötiloja.

Puhdas SiC ei ole erinomainen sähkönjohdin, mutta sen johtavuus paranee merkittävästi, kun siihen lisätään tiettyjä lisäaineita. Lisäksi SiC:n lämpöshokkikestävyys ja virumiskestävyys ovat parempia kuin muilla korkean lämpötilan keraamisilla materiaaleilla, kuten alumiinioksidilla tai boorikarbidilla.

Terästeollisuudessa 90%-piikarbidi on olennainen osa perushappu-uuneja (BOF). Se toimii polttoaineena, joka lisää romun ja kuuman metallin välistä suhdetta ja nostaa valulämpötilaa; lisäksi se auttaa teräksen hapettamattomaksi tekemistä ja poistaa epäpuhtauksia sulatusaltaasta – sekä on tehokas keino hallita terässulan hiilipitoisuutta.

SiC:tä ei käytetä pelkästään terästeollisuudessa, vaan sillä on myös monia muita käyttökohteita. Se toimii esimerkiksi tehokkaana katalyyttinä polyvinyylikloridin ja muiden orgaanisten yhdisteiden valmistuksessa. Lisäksi SiC:tä voidaan käyttää alumiinioksidin ja boorikarbidien valmistukseen; se on myös olennainen osa komposiittipanssareita, kuten Chobham-panssaria.