Temperatura ridicată de topire a carburii de siliciu

Carbura de siliciu este o ceramică non-oxid extrem de dură și puternică, cu proprietăți excelente la temperaturi ridicate, utilizată pe scară largă în mai multe industrii pentru aplicații solicitante.

Examinarea fractografică a probelor testate în argon la 1500-2100 de grade C a arătat că numai stratul cel mai exterior era oxidat; numai scara sa de oxid conținea granule de bor deformate și alungite cu șuvițe de WO3 în jur.

Termodinamică

Carbura de siliciu (SiC) este un material ceramic inert care se mândrește cu multe proprietăți industriale de dorit. Printre acestea se numără rezistența ridicată, rezistența la uzură, rezistența la șocuri termice și conductivitatea termică, precum și rezistența la acizi și alcalii și capacitatea de a suporta temperaturi de până la 1600 °C.

SiC poate acționa fie ca izolator electric, fie ca semiconductor, în funcție de nivelul de dopaj și de compoziția sa. Doparea cu azot sau fosfor creează o conductivitate de tip n, în timp ce dopajul cu bor, galiu sau aluminiu poate genera o conductivitate de tip p.

Carbura de siliciu este utilizată pe scară largă în prezent, în industrii care variază de la producția de oțel, tratarea termică a metalelor, producția de sticlă flotată și fabricarea de ceramică și componente electronice la armuri compozite (cum ar fi armura Chobham) și producția de veste antiglonț.

SiC se topește în funcție atât de presiune, cât și de temperatură, temperatura sa de topire fiind determinată de ambele variabile. La presiuni scăzute, diagrama sa de fază demonstrează o topire incongruentă care apare ca un amestec în echilibru de cristal cubic 3C și cristal hexagonal 6H (a se vedea [17]). Cu toate acestea, la presiuni mai mari, studiile au observat o topire congruentă pentru a forma lichid cu o curbă de topire neechivocă, așa cum se vede în figura 5. Cinetica sa lentă se datorează probabil diferențelor mari dintre diferențele de rază atomică a carbonului față de diferențele de rază atomică a siliciului (a se vedea [18].

Presiunea

Carbura de siliciu a ajuns pe prima pagină a ziarelor datorită proprietăților sale semiconductoare, în special datorită rezistenței superioare la tensiune în comparație cu siliciul obișnuit. În plus, carbura de siliciu poate fi utilizată și ca abraziv și în aplicații refractare, cum ar fi discurile de frână de înaltă performanță pentru automobile.

SiC se găsește cel mai frecvent sub formă de carbură de siliciu alfa (a-SiC), cu o structură cristalină hexagonală similară cu Wurtzite. Cu toate acestea, forma beta se poate forma și la temperaturi mai scăzute, dar are aplicații comerciale limitate. SiC este cunoscut ca fiind un material dur și rezistent, cu calități asemănătoare diamantului, rezistent la căldură și coroziune.

Carbura de siliciu este produsă sub formă de pulbere sau cristal pentru a fi utilizată în diverse aplicații refractare, abrazive și metalurgice. În combinație cu grafitul, este adesea utilizat pentru a produce carbură de siliciu ranforsată cu fibre de carbon, utilizată în discurile de frână de înaltă performanță pentru automobile.

Procedeul Lely este cea mai obișnuită metodă de fabricare a carburii de siliciu. Acesta implică încălzirea unui amestec de nisip silicios și cărbune (de obicei cocs) la temperaturi foarte ridicate într-un creuzet de granit cu conductor de carbon care acționează ca electrod, în timp ce curentul electric trece prin cocs, creând reacții chimice care permit sublimarea la temperaturi mai scăzute și depunerea pe tije de grafit la temperaturi mai scăzute, rezultând cristale verzi pure de SiC cunoscute sub numele de moissanite.

Difuzie

Carbura de siliciu (SiC) este un material cristalin amorf cu un punct de topire extrem de ridicat (2700oC). Datorită legăturilor covalente puternice dintre atomii de Si și C, carbura de siliciu prezintă o duritate și o fragilitate extreme, fără a se compara cu duritatea diamantului (9,5 pe scara Mohs). Se găsește în stare naturală sub formă de moissanită, care a fost descoperită în craterul meteoritului Canyon Diablo din Arizona în 1893; alternativ, este fabricat artificial prin reducerea siliciului-carbon într-un cuptor electric la temperaturi ridicate.

Carbura de siliciu este utilizată pe scară largă datorită proprietăților sale fizice și chimice excepționale. Prezintă caracteristici electrice superioare, cum ar fi o rezistență la tensiune de 10 ori mai mare decât siliciul standard și performanțe mai bune decât nitrurile de galiu în sistemele care funcționează la peste 1000 V; în plus, prezintă rezistență la șocurile termice, precum și rezistență la uzură.

Ca parte a eforturilor de îmbunătățire a capacității de izolare a carburii de siliciu, aceasta este adesea acoperită cu un strat de carbon (cunoscut sub denumirea de capac C) pentru a atenua degradarea în timpul proceselor de recoacere la temperaturi ridicate. Din păcate, însă, acest strat poate avea, de asemenea, efecte dăunătoare asupra autodifuziunii prin încurajarea formării perechilor Frenkel și crearea de antisite imobile (a se vedea figura 4 pentru o ilustrare a acestui fenomen). Figura 4 prezintă o comparație între probele neacoperite și cele acoperite cu C, recoapte la 1700oC timp de o oră; 30 formele profilurilor diferă între probe din cauza găurilor prezente pe probele acoperite cu C recoapte la 1700oC timp de o oră în ambele probe, fapt evidențiat de diferențele dintre graficele Arrhenius ale curbelor de autodifuzie (indicând găurile prezente pe proba acoperită cu C).

Temperatura

Carbura de siliciu (SiC) este un material ceramic non-oxid cu o stabilitate termică și o rezistență remarcabile la temperaturi ridicate. Compus din atomi de carbon și siliciu strâns grupați, legați prin structuri de rețea cristalină, SiC are un punct de topire foarte ridicat - un atribut care îl face potrivit pentru utilizări industriale în care există temperaturi extreme.

SiC pur nu este un conductor electric excelent; cu toate acestea, dopajul cu dopanți specifici îi crește semnificativ conductivitatea. În plus, rezistența la șocuri termice și la fluaj a SiC depășește alte materiale ceramice de temperatură ridicată, precum alumina sau carbura de bor.

În industria siderurgică, carbura de siliciu 90% este o componentă integrală a cuptoarelor cu oxigen de bază (BOF). Acesta servește drept combustibil pentru a crește raportul dintre deșeuri și metalul fierbinte și pentru a crește temperatura de atingere; în plus, ajută la deoxidarea oțelului, eliminând impuritățile din bazinul de topire - fiind totodată un mijloc eficient de a controla nivelul conținutului de carbon din oțelul topit.

SiC nu este utilizat doar în industria oțelului; are și multe alte aplicații. De exemplu, servește drept catalizator eficient în producerea clorurii de polivinil, precum și a altor compuși organici. În plus, SiC poate fi utilizat pentru a produce alumină și carburi de bor; în plus, este o componentă integrantă a armurilor compozite, cum ar fi armura Chobham.