Gęstość węglika krzemu

Węglik krzemu, częściej nazywany karborundem lub SiC, to twardy materiał ceramiczny o licznych zastosowaniach. Ta wszechstronna substancja służy jako materiał ścierny, ma właściwości półprzewodnikowe o szerokim paśmie wzbronionym, a nawet może być wytwarzana w strukturalnych elementach ceramicznych.

Produkcja obejmuje reakcję i pirolizę polisiloksanów pod ciśnieniem, mielenie do postaci proszku, spiekanie w celu uformowania stałych kształtów, a następnie mielenie w celu ostatecznego ukształtowania mikrostruktury. Każdy etap odgrywa integralną rolę w produkcji tego końcowego materiału z różnymi wynikami w zależności od zastosowanych metod formowania - które mają znaczący wpływ na mikrostrukturę.

Gęstość teoretyczna

Gęsty skład węglika krzemu odgrywa kluczową rolę w jego odporności na naprężenia chemiczne, termiczne i mechaniczne. Dzięki doskonałej twardości i przewodności cieplnej, węglik krzemu jest doskonałym materiałem do zastosowań wymagających wysokiej wydajności i dużych naprężeń.

Gęstsze materiały oferują większą odporność na korozję i zużycie. Co więcej, ich niskie współczynniki rozszerzalności/kurczliwości pozwalają im lepiej znosić ekstremalne temperatury, co czyni je idealnymi do systemów elektrycznych i gazowych.

SiC jest również wysoce odporny na promieniowanie i ma niezwykle duże pasmo wzbronione w porównaniu z innymi półprzewodnikami, co umożliwia mu pracę w znacznie wyższych temperaturach, napięciach i częstotliwościach w porównaniu z innymi półprzewodnikami. Dlatego też SiC można znaleźć w różnych zastosowaniach elektronicznych i przemysłowych, w tym w energetyce, lotnictwie i motoryzacji.

Osiągnięcie wysokiej gęstości SiC może być wyzwaniem dla dużych komponentów. Jednak dzięki technologii kompresji rampowej możliwe stało się osiągnięcie jednolitej gęstości do 98% gęstości teoretycznej. Proces ten polega na wytworzeniu jednorodnej dyspersji submikronowej mieszaniny proszków składającej się głównie z węglika krzemu z dodatkiem zawierającym bor; następnie uformowanie tej mieszaniny proszków w zielone korpusy przed spiekaniem w temperaturze 1900-2100 stopni C w kontrolowanych warunkach atmosferycznych.

Dodatki zawierające bor powinny być dodawane podczas mieszania proszku w ilości odpowiadającej jednej części wagowej pierwiastkowego boru na 100 części węglika krzemu, w celu bezpiecznego zagęszczenia bez segregacji na granicach ziaren.

Gęstość fizyczna

Węglik krzemu (C-Si) to sztuczny materiał składający się z węgla (C) i krzemu (Si). Ma drugą najwyższą twardość w skali Mohsa po węgliku boru (9) i oferuje wyjątkową wytrzymałość, odporność na zużycie i odporność na korozję; w rzeczywistości może nawet wytrzymać ekspozycję na kwasy fluorowodorowy i siarkowy bez ulegania korozji - plus woda, większość chemikaliów, w tym zasady, nie może go rozpuścić! Wszechstronność węglika krzemu jako materiału inżynieryjnego sprawia, że jest on również popularny wśród naukowców.

Szmergiel jest szeroko stosowany w nowoczesnych pracach lapidarnych ze względu na swoją trwałość i opłacalność, ponieważ może wytrzymać szybkie operacje cięcia i szlifowania, a także jest używany do obróbki strumieniowo-ściernej i obróbki skrawaniem. Ponadto służy jako ważny surowiec do produkcji mas szlifierskich i polerskich.

Węglik krzemu stał się podstawowym materiałem w technologii kosmicznej ze względu na jego wyjątkową trwałość i odporność na promieniowanie. W związku z tym zwierciadła wykonane z węglika krzemu stały się wyborem dla kilku największych teleskopów, takich jak misje Herschel i BepiColombo, a nawet mogą być przekształcane w sztywne ramy, aby wytrzymać temperatury występujące na Wenus i poziomy promieniowania przekraczające oczekiwania.

Najnowsze dowody eksperymentalne pokazują, że a-SiC jest stabilny w swojej fazie B1 w szerokim zakresie warunków, które odpowiadają oczekiwanym warunkom płaszcza bogatych w węgiel egzoplanet, w przeciwieństwie do jego zachowania na Ziemi, gdzie szybko rozkłada się na krzemionkę i tlen.

Gęstość chemiczna

Węglik krzemu, częściej określany jako SiC, to związek chemiczny składający się z krzemu (liczba atomowa 14) i węgla (liczba atomowa 6). Charakteryzuje się opalizującym zielonym do niebieskawo-czarnego wyglądem i niepalnością; jego gęstość wynosi 3,21 grama na cm3.

Węglik krzemu występuje naturalnie w meteorytach, złożach korundu i złożach kimberlitu w ograniczonych ilościach; jednak większość węglika krzemu używanego w urządzeniach elektronicznych jest produkowana syntetycznie. Edward Acheson po raz pierwszy zsyntetyzował węglik krzemu syntetycznie w 1891 roku, gdy próbował stworzyć sztuczne diamenty poprzez ogrzewanie gliny i sproszkowanego koksu w elektrycznym piecu łukowym; podczas tego procesu zauważył jasnozielone kryształy, które wyglądały podobnie do diamentu przymocowanego do elektrod węglowych i nazwał te kryształy "moissanitem" od rodzaju kamienia, który przypominały.

SiC to materiał półprzewodnikowy o niezwykle szerokiej przerwie pasmowej, umożliwiający pracę w wyższych temperaturach i przy wyższych napięciach niż inne materiały półprzewodnikowe. Dzięki doskonałej przewodności cieplnej, ciepło jest szybko odprowadzane, a gęsta struktura krystaliczna zapewnia doskonałą odporność na zużycie - idealną do zastosowań takich jak narzędzia skrawające.

Laboratoria EAG mają bogate doświadczenie w analizie SiC przy użyciu zarówno masowych, jak i przestrzennie rozdzielonych technik analitycznych. SiC jest niezwykle przydatnym materiałem do produkcji półprzewodników, ponieważ może być domieszkowany różnymi pierwiastkami w celu zmiany jego właściwości elektrotermicznych. Zapewnienie stężenia i przestrzennego rozmieszczenia domieszek przy jednoczesnym wyeliminowaniu niepożądanych zanieczyszczeń ma kluczowe znaczenie w tworzeniu wysokiej jakości produktów półprzewodnikowych.

Gęstość cieplna

Węglik krzemu jest niezwykle gęstym materiałem i jedną z najtwardszych dostępnych substancji, zapewniając doskonałą odporność na korozję jako materiał ceramiczny, który mógłby zmniejszyć aktywne systemy chłodzenia w pojazdach elektrycznych.

Węglik krzemu (SiC) jest kowalencyjnie związanym, jasnoszarym ciałem stałym o względnej twardości diamentu w skali Mohsa. Materiały ogniotrwałe posiadające te właściwości są idealne do użytku, ponieważ SiC ma wysoką temperaturę topnienia, przewodność cieplną i niskie współczynniki rozszerzalności cieplnej.

Węglik krzemu może być domieszkowany azotem lub fosforem w celu utworzenia półprzewodnika typu n; lub domieszkowany berylem, borem, aluminium i galem w celu uzyskania półprzewodnika typu p. Ze względu na szerokie pasmo wzbronione, które pozwala mu obsługiwać trzykrotnie wyższe napięcie niż standardowe półprzewodniki krzemowe. Węglik krzemu stał się popularnym materiałem do produkcji urządzeń elektronicznych ze względu na jego szerokie zastosowanie jako materiał na komponenty elektroniczne.

Naturalne złoża SiC występują w niektórych próbkach meteorytów, złożach korundu i kimberlitu, ale większość przemysłowego SiC jest produkowana syntetycznie. Warianty SSiC i SiSiC są jednymi z najczęściej wykorzystywanych materiałów w wymagających warunkach, takich jak drukowanie 3D, produkcja balistyczna, produkcja chemiczna i zastosowania w technologii energetycznej, a także elementy systemów rurowych ze względu na ich właściwości termiczne; ich wyższa gęstość niż czystego kwarcu sprawia, że związki te są atrakcyjnym zamiennikiem metalu i oferują dobrą sztywność, twardość i odporność na wysokie temperatury, które rywalizują z właściwościami termicznymi czystego kwarcu w porównaniu z czystym kwarcem i odpornością na wysokie temperatury, co czyni te związki atrakcyjnymi alternatywami dla metali.