Siliciumcarbide formule

Siliciumcarbide (SiC) is een extreem harde synthetische verbinding van silicium en koolstof die in de natuur voorkomt als de edelsteen moissaniet en, in mindere mate, in koolstofhoudende chondrietmeteorieten.

Kwarts wordt geproduceerd door silicazand en coke bij hoge temperaturen in een elektrische oven te smelten. Kwarts bestaat in minstens 70 verschillende kristalvormen, waarvan de alfavorm met een hexagonale kristalstructuur die lijkt op Wurtzite het meest voorkomt.

Fysische eigenschappen

Siliciumcarbide, beter bekend als carborundum, is een keramische verbinding zonder oxide met uitzonderlijke eigenschappen op het gebied van hardheid en chemische weerstand die alleen diamant overtreft. Bovendien is siliciumcarbide in zuivere vorm bestand tegen oxidatie bij hogere temperaturen voor een betrouwbaardere elektrische geleiding en geleidbaarheid.

Verhit silicazand met koolstof in een elektrische oven om SiC te produceren. Het geproduceerde groene tot blauwzwarte kristallijne materiaal kan vervolgens worden gescheiden in kwaliteiten met verschillende fysische eigenschappen: metallurgische kwaliteit A heeft bijvoorbeeld grove lagen, terwijl gladdere kristallen van kwaliteit b gladdere structuren vormen.

Deze polytypes van gelaagde structuren vertonen kenmerkende elektrische, optische en thermische eigenschappen. Hun atoombindingen bestaan uit vier siliciumatomen gebonden met vier koolstofatomen in een onregelmatig vierkant patroon dat vier zeshoekige kristallen vormt; dit zorgt voor halfgeleidereigenschappen met een brede bandkloof. Extrusie of koud isostatisch persen kan deze materialen vormen tot staven of buizen voor gebruik als staven en buizen.

Chemische eigenschappen

Siliciumcarbide (SiC), beter bekend als carborundum, is een taaie chemische verbinding van silicium en koolstof met halfgeleidereigenschappen met een brede bandkloof. SiC is vuurvast van aard en staat ook bekend om zijn hoge thermische geleidbaarheid en lage thermische uitzetting waardoor het goed bestand is tegen thermische schokken.

Kristallijn SiC kristalliseert in een fijnmazige structuur met vier silicium- en vier koolstofatomen gebonden in tetrahedrale coördinatie, en heeft meer dan 70 polytypes; alfa-SiC wordt het meest gevonden bij temperaturen boven 2000 graden Celsius met een hexagonale kristalstructuur die lijkt op Wurtziet. Ondertussen komt bètamodificatie met een zinkblende kristalstructuur die lijkt op diamant en sphalerietvorming voor bij lagere temperaturen.

Carborundum is een uiterst zeldzame stof in de natuur, maar een hoofdbestanddeel van koolstofrijke meteorieten in de ruimte. Het werd voor het eerst kunstmatig gesynthetiseerd in 1891 door Edward Acheson als onderdeel van zijn werk om kunstmatige diamanten te produceren. Uiteindelijk werd het materiaal in 1893 op natuurlijke wijze ontdekt in de Canyon Diablo meteoriet in Arizona en werd het moissaniet genoemd naar Nobelprijswinnaar Henri Moissan.

Mechanische eigenschappen

Siliciumcarbide heeft een extreem hard oppervlak met een waardering van 9 op de schaal van Mohs, waardoor het de hardste keramische niet-oxide is en een van de hardste materialen in het algemeen. Het is een uitstekende materiaalkeuze voor toepassingen met mechanische slijtage zoals schuurmiddelen en vuurvaste materialen, terwijl het goede thermische eigenschappen heeft die bestand zijn tegen omgevingen met hoge temperaturen en thermische schokken.

Silicium vervangt de helft van de koolstofatomen en zorgt voor verbeterde warmtegeleidingseigenschappen door de vergelijkbare atomaire straal tussen silicium en koolstof, wat de verstrooiing van fononen helpt te verminderen.

Siliciumcarbide verschijnt als gele tot groene tot blauwzwarte iriserende kristallen die sublimeren bij ontleding op 2700°C. Hoewel SiC onoplosbaar is in water, is het oplosbaar in gesmolten alkaliën zoals NaOH en KOH en in gesmolten ijzer. Hoewel SiC onoplosbaar is in water, is het wel oplosbaar in gesmolten alkaliën zoals NaOH en KOH en in gesmolten ijzer. De elasticiteitsmodulus en hardheid worden bepaald door textuur, stapelfouten, korrelgrootte en de aard van de korrelgrenzen.

Elektrische eigenschappen

De brede bandkloof van siliciumcarbide zorgt ervoor dat het bestand is tegen hogere temperaturen en spanningen dan silicium, waardoor het geschikt is voor toepassingen die snelle maar betrouwbare elektronische apparaten vereisen. Bovendien is het vermogen om dergelijke spanningen te weerstaan van onschatbare waarde in accusystemen voor elektrische voertuigen die zowel de omvang als het gewicht beperken door omvormers helemaal te elimineren.

SiC is een populair materiaal vanwege de combinatie van keramische en halfgeleidereigenschappen, wat bijdraagt aan de vooruitgang van elektronische technologie. Bovendien hebben de hardheid, sterkte, lage thermische uitzetting en bestendigheid tegen chemische reacties bijgedragen aan de toenemende populariteit.

Siliciumcarbide wordt gemaakt door puur silicazand met koolstof te verhitten in een elektrische oven, waardoor ingots ontstaan van zowel metallurgische als abrasieve kwaliteiten die bekend staan als a-SiC en b-SiC, afhankelijk van de kwaliteit en het beoogde gebruik. Nadat de ingots zijn gevormd, worden ze in verschillende maten en vormen gesneden, afhankelijk van de gewenste toepassingen, voordat ze worden gemengd met extra elementen zoals aluminium of stikstof voor de gewenste eigenschappen.