A szilíciumkarbid magas olvadási hőmérséklete

A szilícium-karbid egy rendkívül kemény és szilárd, nem-oxid kerámia, amely kiváló magas hőmérsékleti tulajdonságokkal rendelkezik, és amelyet számos iparágban széles körben alkalmaznak igényes feladatokra.

Az argonban, 1500–2100 °C-on vizsgált minták fraktográfiai vizsgálata azt mutatta, hogy csupán a legkülső réteg oxidálódott; kizárólag ennek az oxidrétegnek a szerkezetében találhatóak deformált és megnyúlt bórszemcsék, amelyeket WO₃-szálak vesznek körül.

Termodinamika

A szilícium-karbid (SiC) egy inert kerámiaanyag, amely számos kívánatos ipari tulajdonsággal rendelkezik. Ezek közé tartozik a nagy szilárdság, a kopásállóság, a hőmérsékleti sokkállóság és a hővezető képesség – emellett sav- és lúgálló, valamint akár 1600 °C-os hőmérsékletet is képes elviselni.

A SiC az adalékanyag-tartalmától és összetételétől függően akár elektromos szigetelőként, akár félvezetőként is működhet. A nitrogénnel vagy foszforral történő adalékolás n-típusú vezetőképességet eredményez, míg a bórral, galliummal vagy alumíniummal történő adalékolás p-típusú vezetőképességet eredményezhet.

A szilícium-karbidot manapság széles körben használják olyan iparágakban, mint az acélgyártás, a fémek hőkezelése, az úszóüveg-gyártás, a kerámia- és elektronikai alkatrészek gyártása, valamint a kompozit páncélok (például a Chobham-páncél) és a golyóálló mellények gyártása.

A SiC mind a nyomás, mind a hőmérséklet függvényében olvad, és olvadáspontját mindkét változó határozza meg. Alacsony nyomáson fázisdiagramja nem kongruens olvadást mutat, amely 3C-típusú köbös kristály és 6H-típusú hexagonális kristály egyensúlyi keverékeként jön létre (lásd [17]). Magasabb nyomáson azonban a kutatások szerint kongruens olvadás figyelhető meg, amelynek eredményeként egyértelmű olvadási görbével rendelkező folyadék keletkezik, amint az az 5. ábrán látható. Lassú kinetikája valószínűleg a szén atomátmérőjének és a szilícium atomátmérőjének közötti nagy különbségeknek köszönhető (lásd [18]).

Nyomás

A szilícium-karbid félvezető tulajdonságai, különösen a hagyományos szilíciumhoz képest kiemelkedő feszültségállósága miatt került a figyelem középpontjába. Ezen felül a szilícium-karbidot csiszolóanyagként, valamint tűzálló alkalmazásokban is fel lehet használni, például nagy teljesítményű autó féktárcsák gyártásához.

A SiC leggyakrabban alfa-szilícium-karbid (a-SiC) formában fordul elő, amelynek hexagonális kristályszerkezete hasonló a wurtzithoz. Alacsonyabb hőmérsékleten azonban béta-forma is kialakulhat, amelynek kereskedelmi alkalmazási területei azonban korlátozottak. A SiC arról ismert, hogy kemény és kopásálló anyag, gyémántszerű tulajdonságokkal rendelkezik, valamint hő- és korrózióálló.

A szilícium-karbidot por vagy kristály formájában állítják elő, és különféle tűzálló, csiszolóanyag-gyártási és kohászati alkalmazásokban használják. Grafit hozzáadásával gyakran szénszálakkal erősített szilícium-karbid előállítására használják, amelyet nagy teljesítményű gépjármű-fék tárcsák gyártásához alkalmaznak.

A Lely-eljárás a szilícium-karbid gyártásának legelterjedtebb módszere. Ennek során szilícium-dioxid-tartalmú homok és szén (általában koksz) keverékét nagyon magas hőmérsékletre hevítik egy gránit tégelyben, amelyben szénvezető szolgál elektródaként, miközben elektromos áram halad át a kokszon. Ez kémiai reakciókat vált ki, amelyek alacsonyabb hőmérsékleten szublimációt, hűvösebb hőmérsékleten pedig a grafitrudakra való lerakódást eredményeznek, így keletkeznek a moissanit néven ismert tiszta, zöld SiC-kristályok.

Diffúzió

A szilícium-karbid (SiC) egy amorf kristályos anyag, amelynek olvadáspontja rendkívül magas (2700 °C). A Si- és C-atomok közötti erős kovalens kötéseknek köszönhetően a szilícium-karbid rendkívüli keménységgel és törékenységgel rendelkezik, bár keménysége nem éri el a gyémántét (9,5 a Mohs-skálán). Természetes formában moissanitként fordul elő, amelyet 1893-ban fedeztek fel az arizonai Canyon Diablo meteorkráterben; alternatívaként mesterségesen is előállítható szilícium-dioxid és szén redukciójával elektromos kemencében, magas hőmérsékleten.

A szilícium-karbidot kivételes fizikai és kémiai tulajdonságai miatt széles körben használják. Kiváló elektromos tulajdonságokkal rendelkezik: feszültségállósága tízszerese a hagyományos szilíciumé, és az 1000 V feletti feszültségű rendszerekben jobb teljesítményt nyújt, mint a gallium-nitrid; emellett hőmérsékleti sokknak és kopásnak is ellenáll.

A szilícium-karbid szigetelőképességének javítására irányuló erőfeszítések részeként az anyagot gyakran szénréteggel (ún. C-cap) borítják, hogy enyhítsék a magas hőmérsékletű hőkezelési folyamatok során bekövetkező minőségromlást. Sajnos azonban ez a bevonat káros hatással lehet az öndiffúzióra is, mivel elősegíti a Frenkel-párok kialakulását és mozgásképtelen antisite-ok keletkezését (e jelenség szemléltetését lásd a 4. ábrán). A 4. ábra az 1700 °C-on egy órán át hevített, bevonat nélküli és C-bevonattal ellátott minták összehasonlítását mutatja; A minták között 30 profilalakbeli eltérés figyelhető meg, ami a mindkét mintában egy órán át 1700 °C-on hevített C-bevonatú mintákon jelen lévő apró lyukaknak köszönhető; ezt alátámasztják az önterjedési görbék Arrhenius-diagramjainak eltérései (amelyek a C-bevonatú mintán jelen lévő apró lyukakra utalnak).

Hőmérséklet

A szilícium-karbid (SiC) egy nem-oxid kerámiaanyag, amely kiemelkedő hőstabilitással és szilárdsággal rendelkezik magas hőmérsékleten. A kristályrács-szerkezetek által összekötött, szorosan egymáshoz illeszkedő szén- és szilíciumatomokból álló SiC olvadáspontja rendkívül magas – ez a tulajdonsága teszi alkalmassá olyan ipari alkalmazásokra, ahol rendkívüli hőmérsékleti viszonyok uralkodnak.

A tiszta SiC nem kiváló elektromos vezető; azonban bizonyos adalékanyagokkal történő doppingolásával vezetőképessége jelentősen megnő. Ezenkívül a SiC hőmérsékleti sokk- és kúszásállósága meghaladja más magas hőmérsékletű kerámiaanyagokét, például az alumínium-oxidét vagy a bór-karbidét.

Az acéliparban a 90% szilícium-karbid a bázikus oxigénkemencék (BOF) elengedhetetlen alkotóeleme. Üzemanyagként szolgál a fémhulladék és a forró fém arányának növeléséhez, valamint az öntési hőmérséklet emeléséhez; emellett elősegíti az acél dezoxidálását, miközben eltávolítja a szennyeződéseket az olvadéktóból – továbbá hatékony eszköz az acélolvadék széntartalmának szabályozására.

A SiC-t nem csupán az acéliparban használják; számos egyéb alkalmazási területe is van. Például hatékony katalizátorként szolgál a polivinil-klorid, valamint más szerves vegyületek előállításában. Ezenkívül a SiC felhasználható alumínium-oxid és bór-karbid előállítására; továbbá szerves részét képezi olyan kompozit páncélzatoknak, mint például a Chobham-páncél.