De dichtheid van siliciumcarbide

Siliciumcarbide, beter bekend als carborundum of SiC, is een hard keramisch materiaal met talloze toepassingen. Deze veelzijdige stof dient als schuurmiddel, heeft brede bandkloof eigenschappen als halfgeleider en kan zelfs worden verwerkt tot structurele keramische componenten.

De productie omvat het reageren en pyrolyseren van polysiloxanen onder druk, vermalen tot poedervorm, sinteren om vaste vormen te vormen en vervolgens malen om de microstructuur uiteindelijk vorm te geven. Elke stap speelt een integrale rol in de productie van dit uiteindelijke materiaal met verschillende resultaten afhankelijk van de gebruikte vormmethoden, die een aanzienlijke invloed hebben op de microstructuur.

Theoretische dichtheid

De dichte samenstelling van siliciumcarbide speelt een sleutelrol in het vermogen om chemische, thermische en mechanische spanning te weerstaan. Met zijn superieure hardheid en thermische geleidbaarheid is siliciumcarbide een uitstekende materiaalkeuze voor toepassingen met hoge prestaties en hoge spanning.

Dichtere materialen bieden doorgaans een grotere weerstand tegen corrosie en slijtage. Bovendien zijn ze door hun lage uitzettings- en krimpsnelheid beter bestand tegen extreme temperaturen, waardoor ze ideaal zijn voor elektrische en gassystemen.

SiC is ook zeer goed bestand tegen straling en heeft een ongewoon grote bandkloof in vergelijking met andere halfgeleiders, waardoor het kan werken bij veel hogere temperaturen, spanningen en frequenties dan andere halfgeleiders. SiC wordt daarom gebruikt in een groot aantal elektronica- en industriële toepassingen, waaronder energieopwekking, ruimtevaart en auto's.

Het bereiken van hoge dichtheden van SiC kan een uitdaging zijn voor grote componenten. Maar met hellingcompressietechnologie is het nu mogelijk om uniforme dichtheden tot 98% van de theoretische dichtheid te bereiken. Het proces bestaat uit het creëren van een homogene dispersie van een poedermengsel met submicronafmetingen dat voornamelijk bestaat uit siliciumcarbide met een additief dat boor bevat; vervolgens wordt dit poedermengsel gevormd tot groene lichamen voordat het wordt gesinterd bij 1900-2100°C onder gecontroleerde atmosferische omstandigheden.

Boorhoudende additieven moeten tijdens het mengen van het poeder worden toegevoegd in een hoeveelheid die gelijk is aan één gewichtsdeel elementair boor per 100 delen siliciumcarbide, voor een veilige verdichting zonder ontmenging aan de korrelgrenzen.

Fysieke dichtheid

Siliciumcarbide (C-Si) is een kunstmatig materiaal dat bestaat uit koolstof (C) en silicium (Si). Het heeft met 9 de op één na hardste Mohs-hardheid na boorcarbide en biedt uitzonderlijke sterkte, slijtvastheid en corrosiebestendigheid; het is zelfs bestand tegen blootstelling aan fluorwaterstofzuur en zwavelzuur zonder te corroderen - plus water, de meeste chemicaliën inclusief alkaliën kunnen het niet oplossen! De veelzijdigheid van siliciumcarbide als technisch materiaal maakt het ook populair bij wetenschappers.

Omdat emery bestand is tegen snijden en slijpen met hoge snelheid en gebruikt wordt voor straal- en verspanende toepassingen, wordt het veel gebruikt voor modern lapidair werk vanwege de duurzaamheid en kosteneffectiviteit. Bovendien dient het als een belangrijke grondstof bij de productie van slijp- en polijstmiddelen.

Siliciumcarbide is uitgegroeid tot een van de belangrijkste materialen voor ruimtevaarttechnologie vanwege de uitstekende duurzaamheid en bestendigheid tegen straling. Zo zijn spiegels gemaakt van siliciumcarbide de keuze geworden van verschillende van de grootste telescopen zoals de Herschel en BepiColombo missies, of kunnen ze zelfs worden verwerkt tot stevige frames om temperaturen te weerstaan die op Venus voorkomen en stralingsniveaus die de verwachtingen overtreffen.

Recent experimenteel bewijs toont aan dat a-SiC stabiel is in zijn B1-fase over een groot aantal condities die overeenkomen met de verwachte mantelcondities van koolstofrijke exoplaneten, in tegenstelling tot het gedrag op aarde waar het snel ontbindt in silica en zuurstof.

Chemische dichtheid

Siliciumcarbide, beter bekend als SiC, is een chemische verbinding die bestaat uit silicium (atoomnummer 14) en koolstof (atoomnummer 6). Het heeft een iriserend groen tot blauwachtig zwart uiterlijk met onbrandbare eigenschappen; de dichtheid bedraagt 3,21 gram per kubieke cm3.

Siliciumcarbide komt van nature in beperkte hoeveelheden voor in meteorieten, korundafzettingen en kimberlietafzettingen; het meeste siliciumcarbide dat in elektronische apparaten wordt gebruikt, wordt echter synthetisch geproduceerd. Edward Acheson synthetiseerde siliciumcarbide voor het eerst synthetisch in 1891 toen hij probeerde kunstmatige diamanten te maken door klei en cokespoeder te verhitten in een elektrische boogoven; toen hij dit deed, zag hij heldergroene kristallen die op diamant leken en aan koolstofelektroden vastzaten en hij noemde deze kristallen “moissaniet” naar de steensoort waar het op leek.

SiC is een halfgeleidermateriaal met een extreem brede bandkloof, waardoor het bij hogere temperaturen en spanningen kan werken dan andere halfgeleidermaterialen. Door de uitstekende thermische geleidbaarheid wordt warmte snel afgevoerd, terwijl de dichte kristallijne structuur een superieure slijtvastheid biedt - perfect voor toepassingen als snijgereedschappen.

EAG Laboratories heeft uitgebreide ervaring met het analyseren van SiC met zowel bulk- als ruimtelijk opgeloste analysetechnieken. SiC is een uiterst nuttig materiaal voor de productie van halfgeleiders omdat het gedoteerd kan worden met verschillende elementen om de elektrothermische eigenschappen te veranderen. Om halfgeleiderproducten van hoge kwaliteit te maken, is het van het grootste belang dat de concentratie en ruimtelijke verdeling van doteringsmiddelen gegarandeerd zijn en dat ongewenste verontreinigingen worden geëlimineerd.

Thermische dichtheid

Siliciumcarbide is een extreem dicht materiaal en een van de hardste stoffen die beschikbaar zijn. Het biedt een uitstekende weerstand tegen corrosie als keramisch materiaal dat mogelijk actieve koelsystemen in elektrische voertuigen kan verminderen.

Siliciumcarbide (SiC) is een covalent gebonden lichtgrijze vaste stof met de relatieve hardheid van diamant op de schaal van Mohs. Vuurvaste materialen met deze eigenschappen zijn ideaal voor gebruik, omdat SiC een hoog smeltpunt, een hoge thermische geleidbaarheid en een lage thermische uitzetting heeft.

Siliciumcarbide kan worden gedoteerd met stikstof of fosfor om een n-type halfgeleider te vormen; of gedoteerd met beryllium, boor, aluminium en gallium om een p-type halfgeleider te maken. Door de brede bandkloof kan het drie keer hogere spanningen aan dan standaard siliciumhalfgeleiders. Siliciumcarbide is het meest gebruikte materiaal geworden voor de productie van elektronische apparaten vanwege het brede gebruik als materiaal voor elektronische componenten.

Natuurlijke SiC-afzettingen komen voor in bepaalde meteorietmonsters, korundafzettingen en kimberliet, maar het meeste industriële SiC wordt synthetisch geproduceerd. SSiC- en SiSiC-varianten behoren tot de meest gebruikte materialen voor veeleisende omstandigheden zoals 3D-printen, ballistische productie, chemische productie en energietechnologische toepassingen, evenals onderdelen van leidingsystemen vanwege hun thermische eigenschappen; hun hogere dichtheid dan zuiver kwarts maakt deze verbindingen tot een aantrekkelijke metaalvervanger en ze bieden goede eigenschappen op het gebied van stijfheid, hardheid en hoge temperatuurbestendigheid die kunnen wedijveren met de thermische eigenschappen van zuiver kwarts en hoge temperatuurbestendigheid, waardoor deze verbindingen aantrekkelijke metaalvervangende alternatieven zijn.