Hustota karbidu kremíka

Karbid kremíka, častejšie označovaný ako karborundum alebo SiC, je tvrdý keramický materiál s mnohými aplikáciami. Táto všestranná látka slúži ako abrazívum, má vlastnosti polovodiča so širokým pásmovým rozpätím a môže sa dokonca vyrábať do konštrukčných keramických súčiastok.

Výroba zahŕňa reakciu a pyrolýzu polysiloxánov pod tlakom, rozomletie do formy prášku, spekanie na vytvorenie pevných tvarov a následné mletie na konečné mikroštrukturálne tvarovanie. Každý krok zohráva neoddeliteľnú úlohu pri výrobe tohto konečného materiálu s rôznymi výsledkami v závislosti od použitých metód tvarovania, ktoré majú významný vplyv na mikroštruktúru.

Teoretická hustota

Husté zloženie karbidu kremíka zohráva kľúčovú úlohu pri jeho schopnosti odolávať chemickému, tepelnému a mechanickému namáhaniu. Vďaka vynikajúcim vlastnostiam tvrdosti a tepelnej vodivosti je karbid kremíka vynikajúcou voľbou materiálu pre vysoko výkonné a vysoko namáhané aplikácie.

Hustejšie materiály sú zvyčajne odolnejšie voči korózii a opotrebovaniu. Okrem toho ich nízka miera rozťažnosti/zmršťovania im umožňuje lepšie odolávať extrémnym teplotám, takže sú ideálne pre elektrické a plynové systémy.

SiC je tiež veľmi odolný voči žiareniu a má v porovnaní s inými polovodičmi nezvyčajne veľkú pásmovú medzeru, čo mu umožňuje pracovať pri oveľa vyšších teplotách, napätiach a frekvenciách v porovnaní s inými polovodičmi. SiC sa preto používa v rôznych oblastiach elektroniky a priemyslu vrátane výroby energie, leteckého a automobilového priemyslu.

Dosiahnutie vysokej hustoty SiC môže byť pre veľké komponenty náročné. Vďaka technológii rampovej kompresie je však teraz možné dosiahnuť rovnomernú hustotu až 98% teoretickej hustoty. Proces zahŕňa vytvorenie homogénnej disperzie práškovej zmesi submikrónovej veľkosti pozostávajúcej predovšetkým z karbidu kremíka s prísadou obsahujúcou bór; potom sa táto prášková zmes tvaruje do zelených telies pred spekaním pri teplote 1900 - 2100 °C v podmienkach riadenej atmosféry.

Prísady obsahujúce bór by sa mali pridávať počas miešania prášku v množstve zodpovedajúcom jednému hmotnostnému dielu elementárneho bóru na 100 dielov karbidu kremíka, aby sa dosiahlo bezpečné zhutnenie bez segregácie na hraniciach zŕn.

Fyzikálna hustota

Karbid kremíka (C-Si) je umelý materiál zložený z uhlíka (C) a kremíka (Si). Má druhú najtvrdšiu Mohsovu triedu tvrdosti po karbide bóru (9) a ponúka výnimočnú pevnosť, odolnosť proti opotrebovaniu a korózii; v skutočnosti dokonca vydrží pôsobenie kyselín fluorovodíkovej a sírovej bez toho, aby skorodoval - navyše voda, väčšina chemikálií vrátane lúhov ho nedokáže rozpustiť! Karbid kremíka je vďaka svojej univerzálnosti ako technický materiál obľúbený aj medzi vedcami.

Vzhľadom na to, že odoláva vysokorýchlostnému rezaniu a brúseniu, ako aj použitiu pri abrazívnom tryskaní a obrábaní, je šmirgeľ široko využívaný pri moderných lapidárnych prácach vďaka svojej trvanlivosti a cenovej výhodnosti. Okrem toho slúži ako dôležitá surovina pri výrobe brúsnych a leštiacich zmesí.

Karbid kremíka sa stal hlavným materiálom vesmírnych technológií vďaka svojej mimoriadnej trvanlivosti a odolnosti voči žiareniu. Zrkadlá vyrobené z karbidu kremíka sa preto stali voľbou pre niekoľko najväčších teleskopov, ako sú misie Herschel a BepiColombo, alebo sa z nich dokonca dajú vyrobiť pevné rámy, ktoré vydržia teploty vyskytujúce sa na Venuši a úroveň žiarenia, ktorá prevyšuje očakávania.

Najnovšie experimentálne dôkazy ukazujú, že a-SiC je stabilný vo fáze B1 v širokom rozsahu podmienok, ktoré zodpovedajú očakávaným podmienkam v plášti exoplanét bohatých na uhlík, na rozdiel od jeho správania na Zemi, kde sa rýchlo rozkladá na oxid kremičitý a kyslík.

Chemická hustota

Karbid kremíka, častejšie označovaný ako SiC, je chemická zlúčenina zložená z kremíka (atómové číslo 14) a uhlíka (atómové číslo 6). Má opalizujúci zelený až modročierny vzhľad s nehorľavými vlastnosťami; jeho hustota je 3,21 gramu na kubický cm3.

Karbid kremíka sa v obmedzenom množstve prirodzene vyskytuje v meteoritoch, ložiskách korundu a kimberlitu; väčšina karbidu kremíka používaného v elektronických zariadeniach sa však vyrába synteticky. Edward Acheson prvýkrát synteticky syntetizoval karbid kremíka v roku 1891, keď sa pokúsil vytvoriť umelé diamanty zahrievaním hliny a práškového koksu v elektrickej oblúkovej peci; pri tom si všimol jasne zelené kryštály, ktoré vyzerali podobne ako diamant pripevnené na uhlíkových elektródach, a nazval tieto kryštály "moissanit" podľa typu kameňa, ktorý pripomínali.

SiC je polovodičový materiál s extrémne širokou pásmovou medzerou, čo mu umožňuje pracovať pri vyšších teplotách a napätiach ako iné polovodičové materiály. Vďaka vynikajúcej tepelnej vodivosti dochádza k rýchlemu odvodu tepla, zatiaľ čo jeho hustá kryštalická štruktúra poskytuje vynikajúcu odolnosť proti opotrebovaniu - ideálna pre aplikácie, ako sú rezné nástroje.

Laboratóriá EAG majú rozsiahle skúsenosti s analýzou SiC pomocou objemových aj priestorovo rozlíšených analytických techník. SiC je mimoriadne užitočný materiál na výrobu polovodičov, pretože ho možno dopovať rôznymi prvkami, aby sa zmenili jeho elektrotermické vlastnosti. Zabezpečenie koncentrácie a priestorového rozloženia dopantov pri súčasnom odstránení nežiaducich kontaminantov je prvoradé pri vytváraní vysokokvalitných polovodičových výrobkov.

Tepelná hustota

Karbid kremíka je mimoriadne hustý materiál a jedna z najtvrdších dostupných látok, ktorá ako keramický materiál poskytuje vynikajúcu odolnosť proti korózii, čo by mohlo znížiť aktívne chladiace systémy v elektrických vozidlách.

Karbid kremíka (SiC) je kovalentne viazaná svetlosivá pevná látka s relatívnou tvrdosťou diamantu na Mohsovej stupnici. Žiaruvzdorné materiály s týmito vlastnosťami sú ideálne na použitie, pretože SiC má vysokú teplotu tavenia, tepelnú vodivosť a nízku tepelnú rozťažnosť.

Karbid kremíka môže byť dopovaný dusíkom alebo fosforom, čím vznikne polovodič typu n, alebo dopovaný berýliom, bórom, hliníkom a gáliom, čím vznikne polovodič typu p. Vďaka svojmu širokému pásmovému rozhraniu dokáže spracovať trikrát vyššie napätie ako štandardné kremíkové polovodiče. Karbid kremíka sa stal obľúbeným materiálom na výrobu elektronických zariadení vďaka svojmu širokému využitiu ako materiál na výrobu elektronických súčiastok.

Prírodné ložiská SiC sa nachádzajú v niektorých vzorkách meteoritov, korundových ložiskách a kimberlite, ale väčšina priemyselného SiC sa vyrába synteticky. Varianty SSiC a SiSiC patria vďaka svojim tepelným vlastnostiam k najčastejšie využívaným materiálom pre náročné podmienky, ako je 3D tlač, výroba balistiky, chemická výroba a aplikácie v energetických technológiách, ako aj komponenty potrubných systémov; ich vyššia hustota v porovnaní s čistým kremeňom robí z týchto zlúčenín atraktívnu náhradu kovov a ponúkajú dobrú tuhosť, tvrdosť a odolnosť voči vysokým teplotám, ktoré konkurujú tepelným vlastnostiam čistého kremeňa v porovnaní s čistým kremeňom a odolnosťou voči vysokým teplotám, čo robí z týchto zlúčenín atraktívne alternatívy náhrady kovov.