Den høye smeltetemperaturen til silisiumkarbid

Silisiumkarbid er en ekstremt hard og sterk ikke-oksidkeramikk med utmerkede høytemperaturegenskaper, som er mye brukt i krevende bruksområder i flere bransjer.

Fraktografisk undersøkelse av prøvene som ble testet i argon ved 1500-2100 °C, viste at bare det ytterste laget var oksidert, og at det kun var oksidlaget som inneholdt deformerte og langstrakte borkorn med omkringliggende whiskers av WO3.

Termodynamikk

Silisiumkarbid (SiC) er et inert keramisk materiale som har mange ønskelige industrielle egenskaper. Blant disse er høy styrke, slitestyrke, motstand mot termisk sjokk og varmeledningsevne - i tillegg til at det er syre- og alkalibestandig og tåler temperaturer på opptil 1600 grader Celsius.

SiC kan fungere enten som en elektrisk isolator eller som en halvleder, avhengig av dopingnivå og sammensetning. Doping med nitrogen eller fosfor skaper en n-type ledningsevne, mens doping med bor, gallium eller aluminium kan generere p-type ledningsevne.

Silisiumkarbid brukes i dag i en rekke bransjer, fra stålproduksjon, varmebehandling av metaller, produksjon av floatglass og fabrikasjon av keramikk og elektronikkomponenter til produksjon av komposittpansring (som Chobham-pansring) og skuddsikre vester.

SiC smelter som en funksjon av både trykk og temperatur, og smeltetemperaturen bestemmes av begge variablene. Ved lave trykk viser fasediagrammet inkongruent smelting som oppstår som en likevektsblanding av 3C kubisk krystall og 6H heksagonal krystall (se [17]). Ved høyere trykk har studier imidlertid observert at det smelter kongruent og danner væske med en entydig smeltekurve, som vist i figur 5. Den langsomme kinetikken skyldes sannsynligvis store forskjeller mellom karbonatomradiusforskjeller og silisiumatomradiusforskjeller (se [18].

Trykk

Silisiumkarbid har skapt overskrifter på grunn av sine halvledende egenskaper, spesielt den overlegne spenningsmotstanden sammenlignet med vanlig silisium. Silisiumkarbid kan også brukes som slipemiddel og i ildfaste materialer, for eksempel i høytytende bremseskiver til biler.

SiC finnes oftest som alfa-silisiumkarbid (a-SiC), med en heksagonal krystallstruktur som ligner på wurtzitt. Beta-formen kan imidlertid også dannes ved lavere temperaturer, men har begrenset kommersiell anvendelse. SiC er kjent for å være et seigt og slitesterkt materiale med diamantlignende egenskaper som er motstandsdyktig mot varme og korrosjon.

Silisiumkarbid produseres som pulver eller krystall for bruk i ulike ildfaste, slipende og metallurgiske anvendelser. I kombinasjon med grafitt brukes det ofte til å produsere karbonfiberforsterket silisiumkarbid som brukes i høytytende bremseskiver til biler.

Lely-prosessen er den vanligste måten å produsere silisiumkarbid på. Den innebærer at en blanding av silikasand og kull (vanligvis koks) varmes opp ved svært høye temperaturer i en granittdigel med en karbonleder som elektrode, mens elektrisk strøm går gjennom koks og skaper kjemiske reaksjoner som gjør det mulig å sublimere ved lavere temperaturer og avsette seg på grafittstenger ved lavere temperaturer, noe som resulterer i rene grønne krystaller av SiC, kjent som moissanitt.

Diffusjon

Silisiumkarbid (SiC) er et amorft krystallinsk materiale med et ekstremt høyt smeltepunkt (2700oC). På grunn av de sterke kovalente bindingene mellom Si- og C-atomene har silisiumkarbid en ekstrem hardhet og sprøhet, men kan ikke måle seg med diamantens hardhet (9,5 Mohs-skalaen). Finnes naturlig som moissanitt, som ble oppdaget i meteorkrateret Canyon Diablo i Arizona i 1893; alternativt fremstilles det kunstig ved hjelp av reduksjon av silisiumkarbon i en elektrisk ovn ved høye temperaturer.

Silisiumkarbid er mye brukt på grunn av sine eksepsjonelle fysiske og kjemiske egenskaper. Det har overlegne elektriske egenskaper som 10 ganger høyere spenningsmotstand enn standard silisium og bedre ytelse i systemer som opererer med over 1000 V enn galliumnitrid; i tillegg er det motstandsdyktig mot termisk sjokk og slitestyrke.

Som et ledd i arbeidet med å forbedre silisiumkarbidets isolasjonsevne blir det ofte dekket med et lag karbon (kjent som C-cap) for å redusere nedbrytningen under glødeprosesser ved høye temperaturer. Dessverre kan dette belegget også ha en skadelig effekt på selvdiffusjonen ved at det fremmer dannelsen av Frenkel-par og skaper immobile antisitter (se figur 4 for en illustrasjon av dette fenomenet). Figur 4 viser en sammenligning mellom prøver uten belegg og prøver med C-belegg glødet ved 1700oC i én time; 30 profilformer varierer mellom prøvene på grunn av pinholes på prøver med C-belegg glødet ved 1700oC i én time i begge prøvene, noe som fremgår av forskjeller mellom Arrhenius-plottene for selvdiffusjonskurver (noe som indikerer pinholes på prøver med C-belegg).

Temperatur

Silisiumkarbid (SiC) er et ikke-oksidholdig keramisk materiale med bemerkelsesverdig termisk stabilitet og styrke ved høye temperaturer. SiC består av tettpakkede karbon- og silisiumatomer som er bundet sammen av krystallgitterstrukturer, og har et svært høyt smeltepunkt - en egenskap som gjør det egnet for industrielle bruksområder der ekstreme temperaturer forekommer.

Ren SiC er ikke en utmerket elektrisk leder, men doping med spesifikke dopingstoffer øker ledningsevnen betraktelig. I tillegg er SiC mer motstandsdyktig mot termiske sjokk og kryping enn andre høytemperaturkeramiske materialer som aluminiumoksid eller borkarbid.

I stålindustrien er 90% silisiumkarbid en integrert komponent i basiske oksygenovner (BOF). Det brukes som brensel for å øke forholdet mellom skrap og varmt metall og heve tappetemperaturen; dessuten bidrar det til å deoksidere stålet samtidig som det fjerner urenheter fra smeltebassenget - i tillegg til at det er et effektivt middel til å kontrollere karboninnholdet i stålsmelten.

SiC brukes ikke bare i stålindustrien, det har også mange andre bruksområder. For eksempel fungerer det som en effektiv katalysator i produksjonen av polyvinylklorid og andre organiske forbindelser. SiC kan dessuten brukes til å produsere aluminiumoksid og borkarbider, og det er en viktig bestanddel i komposittpansring som Chobham-pansring.