Temperatur Leleh Silikon Karbida yang Tinggi

Silikon karbida adalah keramik non-oksida yang sangat keras dan kuat dengan sifat suhu tinggi yang sangat baik, digunakan secara luas di berbagai industri untuk aplikasi yang menuntut.

Pemeriksaan fraktografi spesimen yang diuji dalam argon pada suhu 1500-2100 derajat Celsius menunjukkan hanya lapisan terluar yang teroksidasi; hanya kerak oksidanya yang mengandung butiran boron yang berubah bentuk dan memanjang dengan kumis di sekelilingnya WO3.

Termodinamika

Silikon karbida (SiC) adalah bahan keramik inert yang memiliki banyak sifat industri yang diinginkan. Ini termasuk kekuatan tinggi, ketahanan aus, ketahanan goncangan termal dan konduktivitas termal - serta tahan asam dan alkali dan mampu menahan suhu hingga 1600 derajat Celcius.

SiC dapat bertindak sebagai isolator listrik atau semikonduktor tergantung pada tingkat doping dan komposisinya. Doping dengan nitrogen atau fosfor menciptakan konduktivitas tipe-n sementara doping dengan boron, galium, atau aluminium dapat menghasilkan konduktivitas tipe-p.

Silikon Karbida digunakan secara luas saat ini, dalam berbagai industri mulai dari produksi baja, perlakuan panas pada logam, produksi kaca apung dan fabrikasi komponen keramik dan elektronik hingga baju besi komposit (seperti baju besi Chobham) dan produksi rompi antipeluru.

SiC meleleh sebagai fungsi dari tekanan dan suhu, dengan suhu lelehnya ditentukan oleh kedua variabel tersebut. Pada tekanan rendah, diagram fasanya menunjukkan peleburan tidak kongruen yang terjadi sebagai campuran kesetimbangan kristal kubik 3C dan kristal heksagonal 6H (lihat [17]). Namun, pada tekanan yang lebih tinggi, penelitian telah mengamatinya meleleh secara kongruen membentuk cairan dengan kurva peleburan yang tidak ambigu seperti yang terlihat pada Gambar 5. Kinetika yang lambat kemungkinan disebabkan oleh perbedaan besar antara perbedaan jari-jari atom karbon vs perbedaan jari-jari atom silikon (lihat [18].

Tekanan

Silikon karbida telah menjadi berita utama karena sifat semikonduktornya, khususnya performa ketahanan tegangannya yang unggul dibandingkan dengan silikon biasa. Selain itu, silikon karbida juga dapat digunakan sebagai bahan abrasif dan dalam aplikasi tahan api seperti cakram rem berperforma tinggi untuk mobil.

SiC paling sering ditemukan sebagai alfa silikon karbida (a-SiC), dengan struktur kristal heksagonal yang mirip dengan Wurtzite. Namun, bentuk beta juga dapat terbentuk pada suhu yang lebih rendah tetapi memiliki aplikasi komersial yang terbatas. SiC dikenal sebagai material yang tangguh dan tahan banting dengan kualitas seperti berlian yang tahan terhadap panas dan korosi.

Silikon karbida diproduksi sebagai bubuk atau kristal untuk digunakan dalam berbagai aplikasi tahan api, abrasif, dan metalurgi. Dalam kombinasi dengan grafit, sering kali digunakan untuk memproduksi silikon karbida yang diperkuat serat karbon yang digunakan pada cakram rem berperforma tinggi untuk mobil.

Proses Lely adalah cara yang paling banyak digunakan untuk memproduksi silikon karbida. Proses ini melibatkan pemanasan campuran pasir silika dan batu bara (biasanya kokas) pada suhu yang sangat tinggi dalam wadah granit dengan konduktor karbon yang bertindak sebagai elektroda, sementara arus listrik melewati kokas, menciptakan reaksi kimia yang memungkinkan terjadinya sublimasi pada suhu yang lebih rendah dan mengendap pada batang grafit pada suhu yang lebih dingin yang menghasilkan kristal hijau murni SiC yang dikenal dengan nama moissanite.

Difusi

Silikon karbida (SiC) adalah bahan kristal amorf dengan titik leleh yang sangat tinggi (2700oC). Karena ikatan kovalen yang kuat antara atom Si dan C, Silikon Karbida menunjukkan kekerasan dan kerapuhan yang ekstrem, namun tidak sebanding dengan kekerasan berlian (9,5 skala Mohs). Ditemukan secara alami sebagai moissanite yang ditemukan di kawah meteor Canyon Diablo di Arizona pada tahun 1893; sebagai alternatif dibuat secara artifisial menggunakan reduksi silika-karbon dalam tungku listrik pada suhu tinggi.

Silikon Karbida digunakan secara luas karena sifat fisik dan kimianya yang luar biasa. Silikon karbida memiliki karakteristik listrik yang unggul seperti resistansi tegangan 10 kali lebih tinggi daripada silikon standar dan berkinerja lebih baik dalam sistem yang beroperasi lebih dari 1000V daripada galium nitrida; selain itu, silikon karbida juga menunjukkan ketahanan goncangan termal dan juga ketahanan terhadap keausan.

Sebagai bagian dari upaya untuk meningkatkan kemampuan isolasi silikon karbida, silikon karbida sering kali dilapisi dengan lapisan karbon (dikenal sebagai C-cap) untuk mengurangi penurunan kualitas selama proses anil suhu tinggi. Sayangnya, bagaimanapun, lapisan ini juga dapat memiliki efek yang merugikan pada difusi sendiri dengan mendorong pembentukan pasangan Frenkel dan menciptakan antisit yang tidak dapat bergerak (lihat gambar 4 untuk ilustrasi fenomena ini). Gambar 4 menampilkan perbandingan antara sampel yang tidak dilapisi dan sampel yang dilapisi C yang dianil pada suhu 1700o C selama satu jam; 30 bentuk profil berbeda antara kedua sampel karena adanya lubang kecil pada sampel yang dilapisi C yang dianil pada suhu 1700o C selama satu jam pada kedua sampel, hal ini dibuktikan dengan adanya perbedaan antara kurva kurva Arrhenius self-difusi (yang mengindikasikan lubang kecil yang ada pada sampel yang dilapisi C).

Suhu

Silikon karbida (SiC), adalah bahan keramik non-oksida dengan stabilitas dan kekuatan termal yang luar biasa pada suhu tinggi. Terdiri dari atom karbon dan silikon yang padat dan terikat oleh struktur kisi kristal, SiC memiliki titik leleh yang sangat tinggi - sebuah atribut yang membuatnya cocok untuk penggunaan industri yang memiliki suhu ekstrem.

SiC murni bukanlah konduktor listrik yang sangat baik; namun, mendopingnya dengan dopan tertentu secara signifikan meningkatkan konduktivitasnya. Selain itu, ketahanan goncangan termal dan ketahanan mulur SiC melebihi bahan keramik suhu tinggi lainnya, seperti alumina atau boron karbida.

Dalam industri baja, silikon karbida 90% merupakan komponen integral dari tungku oksigen dasar (BOF). Ini berfungsi sebagai bahan bakar untuk meningkatkan rasio skrap terhadap logam panas dan meningkatkan suhu keran; selain itu, ini membantu mendeoksidasi baja sambil membersihkan kotoran dari kolam peleburannya - serta menjadi cara yang efektif untuk mengontrol tingkat kandungan karbon dalam lelehan baja.

SiC tidak hanya digunakan dalam industri baja, tetapi juga memiliki banyak aplikasi lain. Sebagai contoh, SiC berfungsi sebagai katalis yang efisien dalam memproduksi polivinil klorida serta senyawa organik lainnya. Selain itu, SiC dapat digunakan untuk memproduksi alumina dan karbida boron; selain itu, SiC merupakan komponen integral dalam baju besi komposit seperti baju besi Chobham.