Silīcija karbīda struktūra un lietojumi

Silīcija karbīds jeb SiC ir ārkārtīgi izturīgs un izturīgs materiāls ar unikālām elektriskajām īpašībām.

Kristāliskais ogleklis var kristalizēties blīvi sakopotās, kovalenti saistītās struktūrās. Tā atomi veido divus primāros koordinācijas tetraedrus ar četriem oglekļa un četriem silīcija atomiem katrā stūrī, kas savienojas caur saviem stūriem, veidojot daudztipu struktūras, ko sauc par politipiem.

Fizikālās īpašības

Silīcija karbīds ir ārkārtīgi ciets materiāls, kura cietības rādītājs pēc Mosa skalas ir no 9 līdz 10, kas ir kaut kur starp alumīnija oksīdu un dimantu. Silīcija karbīdu plaši izmanto kā abrazīvu materiālu mūsdienu lapidārijā, slīpēšanas un mehāniskās apstrādes darbos, kā ugunsizturīgu rūpniecisko krāšņu oderējumu, griezējinstrumentus, sūkņu un raķešu dzinēju nodilumizturīgas detaļas, kā arī kā nodilumizturīgu saķeres lenti skeitborda dēļiem, kā arī karborunda iespiedgrafikā - karborunda smilšu uzklāšanas procesā uz alumīnija plāksnes un pēc tam drukāšanas uz papīra, izmantojot rullīšu preses (Mountain).

Sintētiskos polikarbonātus var ražot sintētiski, izmantojot vai nu reakciju savienošanas, vai saķepināšanas procesus, pēdējos no tiem uzlabojot, pievienojot 0,5% oglekli vai 0,5% boru kā saķepināšanas palīgvielu, lai novērstu virsmas difūziju un modificētu graudu robežu enerģiju (Mountain).

SiC ir iespaidīga rūpnieciskā keramika ar daudzveidīgām mehāniskām īpašībām, kas padara to nenovērtējamu dažādās rūpniecības nozarēs. Pateicoties augstajai siltumvadītspējai un zemajai termiskajai izplešanās pakāpei, tā izmantošana elektronikā sauszemes elektrotransportlīdzekļu piedziņas sistēmās ir kļuvusi izplatītāka nekā jebkad agrāk. Turklāt SiC elektriskās īpašības varētu aizstāt tradicionālos silīcija pusvadītājus arī augstāka sprieguma lietojumos, piemēram, vilces pārveidotājos elektromobiļiem un DC/DC pārveidotājos uzlādes stacijām.

Ķīmiskās īpašības

Silīcija karbīdu var leģēt ar slāpekli un fosforu, lai veidotu n tipa pusvadītājus, savukārt beriliju, boru, alumīniju un galliju var leģēt, lai veidotu p tipa pusvadītājus. Tā kā silīcija karbīda struktūra ir blīvi sakārtota un simetriska, silīcija karbīds ir ideāla platforma dopēšanai.

Ugunsizturīgais materiāls ir ciets, trausls un siltumvadītspējīgs. Tas var izturēt augstas temperatūras un spriegumu, bet tā zemais termiskās izplešanās koeficients ir priekšrocība, ja to izmanto lietojumos, kas pakļauti temperatūras svārstībām.

Lai gan dabiskais moisanīts (Csi3SiO6) ir atrodams meteorītos un kimberlītā, lielākā daļa mūsdienās pārdotā silīcija karbīda ir sintētisks. Tas ir daudzās formās, sākot no zaļiem līdz melniem kristāliskiem graudiem un beidzot ar sešcollu SiC plāksnēm, ko izmanto energoelektronikā, un ir ķīmiski inerts, jo ir izturīgs pret organisko skābju un sārmu koroziju, izņemot fluorūdeņražskābi un sērskābi; nešķīst ūdenī vai citos šķīdinātājos, bet šķīst izkausētos sārmos, piemēram, NaOH vai KOH.

Elektriskās īpašības

Silīcija karbīds (SiC) ir pusvadītāju materiāls, kas atrodas starp metāliem (kuri vada elektrību) un izolatoriem (kuri elektrību nevada). SiC elektriskās īpašības ir atkarīgas no temperatūras un piemaisījumiem tā sastāvā: zemās temperatūrās tas darbojas kā izolators, bet augstākā temperatūrā tā elektrovadītspēja kļūst pamanāma. SiC vadītspēju var vēl vairāk uzlabot, pievienojot alumīnija, bora vai gallija piemaisījumus, kas palielina brīvos lādiņa nesējus un pārvērš SiC par P tipa pusvadītāju.

Māla fizikālo un ķīmisko īpašību kombinācija padara to par pievilcīgu materiālu dažādās rūpniecības nozarēs, sākot no keramikas plāksnēm, kas palielina nodilumizturību un bremžu izturību, līdz pat tā augstajai siltumvadītspējai un zemajam izplešanās koeficientam, kas ļauj to izmantot augsttemperatūras lietojumos.

Turklāt tā unikālā joslas sprauga ļauj tam darboties pie augstākiem spriegumiem un frekvencēm nekā tradicionālajai elektronikai uz silīcija bāzes, padarot to par ideālu materiālu tādām enerģijas ierīcēm kā diodes, tranzistori un tiristori.

Siltuma īpašības

Silīcija karbīds (SiC) ir neorganiska keramika ar izcilām termiskajām īpašībām, kas to padara piemērotu daudziem dažādiem lietojumiem. Silīcija karbīds tiek izmantots, sākot no nodilumizturīgām detaļām un abrazīviem materiāliem, pateicoties tā cietībai, ugunsizturīgajās vielās un keramikā, pateicoties tā karstumizturībai un zemajai termiskajai izplešanās spējai, kā arī elektronikā, kur tā spēja vadīt elektrību ekstremālās temperatūrās.

SiC ir efektīvs siltumvadītājs, pateicoties tā dimanta kubiskajai kristāliskajai struktūrai, kurā puse atomu ir aizstāti ar silīciju, kas nodrošina izcilu siltumvadītspēju. SiC ir efektīva joslas sprauga, kas ļauj elektroniem viegli pārvietoties starp tās valences un vadītspējas joslām, salīdzinot ar izolatoriem, kuriem nepieciešams pārmērīgs enerģijas daudzums, lai elektroni varētu šķērsot šo plaisu starp joslām.

SiC kristāliskā struktūra var būt dažāda veida, tā saucamie politipi. Katrs politips sastāv no slāņiem, kas sakārtoti īpašās sakārtojuma secībās, kuru rezultātā veidojas unikāls atomu izkārtojums - tas piešķir SiC ārkārtīgi augstu īpatnējo siltumu un zemu termiskās izplešanās koeficientu.