Węglik krzemu - materiał na zwierciadła do teleskopów astronomicznych

Węglik krzemu (zwany również karborundem) to nieorganiczny związek chemiczny złożony z atomów krzemu i węgla, występujący w naturze w postaci moissanitu i produkowany na skalę przemysłową od 1893 roku do zastosowań jako materiał ścierny.

SiC występuje w ponad 70 postaciach krystalicznych, podzielonych na dwa polimorfy: węglik krzemu alfa (a-SiC) i węglik krzemu beta (b-SiC). W granicach błędu eksperymentalnego obie postacie topią się jednocześnie przy ciśnieniach sięgających 10 GPa.

Ma ujemne nachylenie

Węglik krzemu to niezwykle twardy i gęsty materiał o szerokim zakresie zastosowań. Można go znaleźć w takich produktach, jak papier ścierny, ściernice, narzędzia skrawające, części samochodowe i materiały ogniotrwałe stosowane w motoryzacji; ponadto, ze względu na swoją twardość i niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, służy jako materiał ogniotrwały w piecach, piecach do wypalania i wykładzinach ogniotrwałych, a także jako materiał lustrzany w teleskopach astronomicznych.

Edward Goodrich Acheson po raz pierwszy rozpoczął masową produkcję węglika krzemu w 1891 roku, podgrzewając w piecu elektrycznym mieszankę gliny i sproszkowanego koksu (węgla), w wyniku czego powstał niebiesko-czarny materiał znany jako “karborund”.”

Badania topnienia węglika krzemu przy ciśnieniach w zakresie od 5 do 8 GPa wykazały, że topi się on kongruentnie przy wszystkich badanych ciśnieniach, a jego krzywa topnienia charakteryzuje się ujemnym nachyleniem wynoszącym -44 ± 4 K/GPa, co stanowi dowód na to, że teoria funkcjonalna gęstości dokonała trafnej prognozy.

Ma dodatnie nachylenie

Węglik krzemu (SiC) to nieoksydowy materiał ceramiczny o wyjątkowych właściwościach, dzięki którym znajduje szerokie zastosowanie w wielu aplikacjach wysokotemperaturowych. SiC charakteryzuje się zarówno twardością, jak i niezwykłą wytrzymałością – wytrzymałość odkształceniowa w postaci polikrystalicznej sięga nawet 27 GPa; ponadto wykazuje doskonałą odporność na pełzanie oraz niskie współczynniki rozszerzalności cieplnej.

Ceramika na bazie dwutlenku ceru (CeO₂) jest nierozpuszczalna w wodzie, ale rozpuszcza się w stopionych roztworach metali alkalicznych i żelaza, co czyni ją najtwardszą spośród wszystkich zaawansowanych ceramiki konstrukcyjnych, charakteryzującą się odpornością na ścieranie, korozję, uderzenia oraz rozszerzalność cieplną przy wysokich ciśnieniach; dzięki temu doskonale nadaje się do zastosowań w wysokich temperaturach, takich jak elementy reaktorów jądrowych.

Węglik krzemu, znany bardziej pod nazwą a-SiC, jest powszechnie stosowany w hamulcach i sprzęgłach pojazdów elektrycznych oraz w kamizelkach kuloodpornych, a także służy jako podłoże dla katalizatorów heterogenicznych. Produkcja tego materiału na skalę przemysłową nadal wymaga stosowania pieców elektrycznych, w których czysty piasek krzemionkowy jest redukowany przy użyciu drobno zmielonego koksu; produkcja węgliku krzemu na skalę przemysłową pozostaje popularnym rozwiązaniem w zastosowaniach wysokonapięciowych w elektronice mocy.

Ma ujemny współczynnik temperaturowy

Węglik krzemu, znany również jako dwutlenek krzemu, to twardy związek chemiczny złożony z krzemu i węgla, występujący naturalnie w postaci minerału moissanitu, ale od 1893 roku produkowany na skalę przemysłową w postaci proszku i kryształów do zastosowań jako materiał ścierny oraz jako materiał na ceramiczne płytki do kamizelek kuloodpornych. Duże ziarna monokryształów można łączyć poprzez spiekanie, uzyskując w ten sposób niezwykle wytrzymałą ceramikę konstrukcyjną; ponadto jest on często wykorzystywany do produkcji syntetycznych kamieni szlachetnych znanych jako moissanit syntetyczny. Węglik krzemu pełni również rolę półprzewodnika; domieszkowanie go azotem lub fosforem może przekształcić go w materiał typu n; podobnie beryl, bor lub aluminium mogą zmienić go w materiał typu p, w zależności od tego, jakie właściwości uzyska w wyniku domieszkowania, które przekształci go w materiał półprzewodnikowy typu n.

Węglik krzemu charakteryzuje się szeroką przerwą energetyczną i wysoką wytrzymałością na przebicie w polu elektrycznym, dzięki czemu nadaje się do zastosowania w urządzeniach elektronicznych pracujących w ekstremalnie wysokich temperaturach lub przy bardzo wysokich napięciach. Ponadto jego odporność na szok termiczny sprawia, że jest szeroko stosowany. Węglik krzemu występuje w postaci różnych komórek elementarnych (sześciennych, romboedrycznych lub heksagonalnych). Jeśli zostanie zagęszczony przy użyciu gliny, może hamować wzrost szyjki krystalicznej, zapobiegając jednocześnie tworzeniu się SiO₂, które w przeciwnym razie obniżyłoby moduł sprężystości. W różnych badaniach analizowano jego zachowanie podczas topnienia pod wysokim ciśnieniem, wykorzystując symulacje dynamiki molekularnej ab initio oparte na teorii funkcjonalnej gęstości.

Charakteryzuje się dodatnim współczynnikiem ciśnienia

Węglik krzemu to niezwykle twardy i sztywny materiał ceramiczny, charakteryzujący się odpornością na wysokie temperatury, niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej oraz odpornością na reakcje chemiczne. Występuje w różnych rozmiarach i postaciach, w tym w postaci granulatu przeznaczonego do sprzedaży, a także w postaci płytek, z których można wytwarzać lustra do dużych teleskopów. Metody produkcji węglika krzemu obejmują zarówno bezpośrednią syntezę węgla, jak i chemiczne osadzanie z fazy gazowej.

Przeprowadzono badania zależności temperatur Debye’a od ciśnienia w SiC typu ZB i RS w zakresie temperatur od 3100+40 K do 5–8 GPa, wykorzystując eksperymenty z gwałtownym schładzaniem oraz pomiary in situ. Wyniki wskazują, że przy ciśnieniu otoczenia obie stałe Lame’a (l, m) są dodatnie, przy czym odchylenie wartości m wzrasta, co sugeruje zwiększoną siłę niecentralnych oddziaływań wielociałowych związanych z transferem ładunku przy wyższych ciśnieniach, co skutkuje zwiększeniem sztywności mechanicznej SiC pod wpływem ściskania.