Structura și aplicațiile carburii de siliciu

Carbura de siliciu, sau SiC, este un material extrem de rezistent și durabil, cu unele proprietăți electrice unice.

Carbonul cristalin poate fi găsit cristalizând în structuri dens compacte care sunt legate între ele prin legături covalente. Atomii săi formează două tetraedre de coordonare primară cu câte patru atomi de carbon și patru atomi de siliciu în fiecare colț, care se leagă prin colțurile lor pentru a forma structuri politipice numite politipuri.

Proprietăți fizice

Carbura de siliciu este un material extrem de dur, cu o duritate Mohs între 9 și 10, situându-se undeva între alumină și diamant. Carbura de siliciu este utilizată pe scară largă ca material abraziv în lapidăria modernă, în operațiunile de șlefuire și prelucrare, ca căptușeală refractară pentru cuptoarele industriale, unelte de tăiere, părți rezistente la uzură ale pompelor și motoarelor de rachetă, precum și ca bandă de prindere rezistentă la uzură pe skateboard-uri, precum și în imprimarea cu carborundum - procesul de aplicare a granulelor de carborundum pe o placă de aluminiu și apoi imprimarea pe hârtie cu ajutorul preselor cu pat rulant (Mountain).

Policarbonații sintetici pot fi produși sintetic prin procese de lipire prin reacție sau prin procese de sinterizare, acestea din urmă fiind îmbunătățite prin adăugarea de carbon 0,5% sau de bor 0,5% ca adjuvant de sinterizare, pentru a preveni difuzia la suprafață și pentru a modifica energia limitelor granulelor (Mountain).

SiC este o ceramică industrială impresionantă, cu proprietăți mecanice diverse, care o fac neprețuită în diverse contexte industriale. Datorită conductivității termice ridicate și ratelor scăzute de dilatare termică, utilizarea sa în electronica de putere pentru sistemele de acționare ale vehiculelor electrice terestre a devenit mai răspândită ca niciodată. În plus, caracteristicile electrice ale SiC ar putea, de asemenea, să înlocuiască semiconductorii tradiționali din siliciu în aplicații de înaltă tensiune, cum ar fi invertoarele de tracțiune pentru vehicule electrice și convertoarele DC/DC pentru stațiile de încărcare.

Proprietăți chimice

Carbura de siliciu poate fi dopată cu azot și fosfor pentru a forma semiconductori de tip n, în timp ce beriliul, borul, aluminiul și galiul pot fi dopate în ea pentru a obține semiconductori de tip p. Datorită structurii sale compacte și simetrice, carbura de siliciu oferă o platformă ideală pentru dopare.

Materialul refractar este dur, fragil și conductiv termic. Poate rezista la temperaturi și tensiuni ridicate, în timp ce coeficientul său scăzut de dilatare termică oferă avantaje atunci când este utilizat pentru aplicații supuse variațiilor de temperatură.

Deși moissanitul natural (Csi3SiO6) poate fi găsit în meteoriți și kimberlite, majoritatea carburilor de siliciu vândute în prezent sunt sintetice. Acesta se prezintă sub mai multe forme, de la granule cristaline verzi sau negre până la plachete de SiC de 15 cm, utilizate pentru aplicații în electronica de putere, și este inert din punct de vedere chimic, deoarece rezistă la coroziunea provocată de acizii organici și alcalini, cu excepția acizilor fluorhidric și sulfuric; insolubil în apă sau alți solvenți, dar solubil în alcalii topite, cum ar fi NaOH sau KOH.

Proprietăți electrice

Carbura de siliciu (SiC) este un material semiconductor, situat între metale (care conduc electricitatea) și izolatori (care nu o fac). Proprietățile electrice ale SiC depind de temperatură și de impuritățile din compoziția sa: la temperaturi scăzute acționează ca un izolator, în timp ce la temperaturi ridicate conductivitatea sa devine vizibilă. Conductivitatea SiC poate fi îmbunătățită în continuare prin adăugarea de impurități de aluminiu, bor sau galiu, care cresc purtătorii liberi de sarcină și transformă SiC în semiconductor de tip P.

Combinația de proprietăți fizice și chimice ale argilei face din aceasta un material atractiv în diverse industrii, de la plăci ceramice care sporesc rezistența la abraziune și rezistența la frânare, până la conductivitatea termică ridicată și coeficientul scăzut de dilatare care permit utilizarea sa în aplicații la temperaturi ridicate.

În plus, bandgap-ul său unic îi permite să funcționeze la tensiuni și frecvențe mai mari decât electronica tradițională pe bază de siliciu, ceea ce îl face materialul perfect pentru dispozitive de putere precum diode, tranzistoare și tiristoare.

Proprietăți termice

Carbura de siliciu (SiC) este o ceramică anorganică cu proprietăți termice superioare, ceea ce o face potrivită pentru multe aplicații diferite. Carbura de siliciu este utilizată în aplicații care variază de la piese rezistente la uzură și materiale abrazive datorită durității sale; în materiale refractare și ceramică datorită rezistenței sale la căldură și expansiunii termice scăzute; precum și în electronică, unde capacitatea sa de a conduce electricitatea la temperaturi extreme.

SiC este un conductor termic eficient datorită structurii sale cristaline cubice diamantate cu jumătate din atomi înlocuiți cu siliciu, ceea ce asigură o conductivitate termică superioară. SiC prezintă un interval de bandă eficient care permite electronilor să se deplaseze cu ușurință între benzile de valență și de conducție, în comparație cu izolatorii care necesită cantități excesive de energie pentru ca electronii să traverseze acest interval între benzile lor.

Structura cristalină a SiC poate lua diferite forme, cunoscute sub numele de polietipuri. Fiecare politip constă din straturi stivuite în secvențe specifice de stivuire, care rezultă în aranjamente atomice unice - acest lucru conferă SiC o căldură specifică extrem de ridicată și un coeficient de dilatare termică scăzut.