Formuła węglika krzemu

Węglik krzemu (SiC) to niezwykle twardy syntetyczny związek krzemu i węgla, który występuje naturalnie jako klejnot moissanit oraz, w mniejszym stopniu, w węglowych meteorytach chondrytowych.

Wytwarzany przez topienie piasku kwarcowego i koksu w wysokich temperaturach w piecu elektrycznym, kwarc występuje w co najmniej 70 różnych formach krystalicznych; najbardziej rozpowszechniona jest forma alfa o heksagonalnej strukturze krystalicznej podobnej do wurcytu.

Właściwości fizyczne

Węglik krzemu, częściej określany jako Carborundum, jest nietlenkowym związkiem ceramicznym o wyjątkowej twardości i odporności chemicznej, który ustępuje jedynie diamentowi. Co więcej, węglik krzemu w czystej postaci jest odporny na utlenianie w wyższych temperaturach, zapewniając bardziej niezawodne przewodnictwo elektryczne i przewodność.

Podgrzewanie piasku krzemionkowego z węglem w piecu elektrycznym w celu wytworzenia SiC. Zielony do niebieskawo-czarnego, krystaliczny materiał może być następnie podzielony na gatunki o różnych właściwościach fizycznych: na przykład metalurgiczny gatunek A ma gruboziarniste warstwy; podczas gdy gładsze kryształy gatunku b tworzą gładsze struktury.

Te wielorakie struktury warstwowe wykazują charakterystyczne właściwości elektryczne, optyczne i termiczne. Ich wiązania atomowe składają się z czterech atomów krzemu połączonych z czterema atomami węgla w nieregularny kwadratowy wzór tworzący cztery sześciokątne kryształy; zapewnia to właściwości półprzewodnikowe o szerokim paśmie przenoszenia. Wytłaczanie lub prasowanie izostatyczne na zimno może kształtować te materiały w pręty lub rury do wykorzystania jako pręty i rury.

Właściwości chemiczne

Węglik krzemu (SiC), częściej nazywany karborundem, to twardy związek chemiczny krzemu i węgla o właściwościach półprzewodnikowych z szerokim pasmem wzbronionym. Z natury ogniotrwały, SiC jest również znany ze swojej wysokiej przewodności cieplnej i niskiej rozszerzalności cieplnej, co czyni go bardzo odpornym na szok termiczny.

Krystaliczny SiC krystalizuje w ściśle upakowanej strukturze z czterema atomami krzemu i czterema atomami węgla związanymi w koordynacji tetraedrycznej i ma ponad 70 poliptypów; alfa SiC jest najczęściej spotykany w temperaturach powyżej 2000 ° C z sześciokątną strukturą krystaliczną podobną do Wurtzite. Tymczasem modyfikacja beta ze strukturą krystaliczną cynkblendy podobną do diamentu i sfalerytu występuje w niższych temperaturach.

Karborund jest niezwykle rzadką substancją w przyrodzie, ale podstawowym pierwiastkiem w bogatych w węgiel meteorytach w kosmosie. Po raz pierwszy sztucznie zsyntetyzowany w 1891 roku przez Edwarda Achesona w ramach jego prac nad produkcją sztucznych diamentów, materiał ten został ostatecznie odkryty naturalnie w meteorycie Canyon Diablo w Arizonie w 1893 roku i nazwany moissanitem na cześć laureata nagrody Nobla Henri Moissana.

Właściwości mechaniczne

Węglik krzemu ma niezwykle twardą powierzchnię z oceną 9 w skali Mohsa, co czyni go najtwardszą ceramiką nietlenkową i jednym z najtwardszych materiałów w ogóle. Jest to doskonały materiał do zastosowań wymagających zużycia mechanicznego, takich jak materiały ścierne i ogniotrwałe, a jednocześnie charakteryzuje się dobrymi właściwościami termicznymi, które są odporne na wysokie temperatury i szok termiczny.

Krzem zastępuje połowę atomów węgla, zapewniając lepsze właściwości przewodzenia ciepła ze względu na podobny promień atomowy między krzemem a węglem - co pomaga zmniejszyć rozpraszanie fononów.

Węglik krzemu ma postać opalizujących kryształów o barwie od żółtej przez zieloną do niebieskawo-czarnej, które sublimują podczas rozkładu w temperaturze 2700 stopni Celsjusza. Chociaż nierozpuszczalny w wodzie, SiC jest rozpuszczalny w stopionych alkaliach, takich jak NaOH i KOH, a także w stopionym żelazie, a jego moduł Younga i twardość zależą od tekstury, uskoków, wielkości ziarna i charakteru granic ziaren.

Właściwości elektryczne

Szerokie pasmo wzbronione węglika krzemu pozwala mu wytrzymać wyższe temperatury i napięcia niż krzem, dzięki czemu nadaje się do zastosowań wymagających szybkich, ale niezawodnych urządzeń elektronicznych. Co więcej, jego zdolność do wytrzymania takiego napięcia jest nieoceniona w systemach akumulatorów pojazdów elektrycznych, które zmniejszają zarówno rozmiar, jak i wagę poprzez całkowite wyeliminowanie falowników.

SiC jest popularnym materiałem ze względu na połączenie właściwości ceramicznych i półprzewodnikowych, co przyczynia się do rozwoju technologii elektronicznej. Co więcej, jego twardość, wytrzymałość, niska rozszerzalność cieplna i odporność na reakcje chemiczne przyczyniły się do wzrostu jego popularności.

Węglik krzemu jest wytwarzany przez ogrzewanie czystego piasku krzemionkowego z węglem w piecu elektrycznym, tworząc wlewki zarówno gatunków metalurgicznych, jak i ściernych, znanych jako a-SiC i b-SiC w zależności od jakości i zamierzonego zastosowania. Po uformowaniu wlewków są one cięte na różne rozmiary i kształty w zależności od pożądanych zastosowań, a następnie mieszane z dodatkowymi pierwiastkami, takimi jak aluminium lub azot, w celu uzyskania pożądanych właściwości.