Vzorec karbidu kremíka

Karbid kremíka (SiC) je mimoriadne tvrdá syntetická zlúčenina kremíka a uhlíka, ktorá sa v prírode vyskytuje ako drahokam moissanit a v menšej miere v uhlíkatých chondritových meteoritoch.

Kremeň, ktorý sa vyrába tavením kremičitého piesku a koksu pri vysokých teplotách v elektrickej peci, existuje v najmenej 70 rôznych kryštálových formách; najrozšírenejšia je alfa forma s hexagonálnou kryštálovou štruktúrou podobnou wurtzitu.

Fyzikálne vlastnosti

Karbid kremíka, častejšie označovaný ako karborundum, je neoxidová keramická zlúčenina s výnimočnou tvrdosťou a chemickou odolnosťou, ktorá sa radí na druhé miesto po diamante. Okrem toho karbid kremíka v čistej forme odoláva oxidácii pri vyšších teplotách pre spoľahlivejšiu elektrickú vodivosť a vodivosť.

Zahrievajte kremičitý piesok s uhlíkom v elektrickej peci na výrobu SiC. Vzniknutý zelený až modročierny kryštalický materiál možno potom rozdeliť na triedy s rôznymi fyzikálnymi vlastnosťami: napríklad metalurgická trieda A má hrubé vrstvy, zatiaľ čo hladšie kryštály triedy b vytvárajú hladšie štruktúry.

Tieto polytypy vrstevnatých štruktúr vykazujú charakteristické elektrické, optické a tepelné vlastnosti. Ich atómové väzby pozostávajú zo štyroch atómov kremíka viazaných so štyrmi atómami uhlíka v nepravidelnom štvorcovom usporiadaní vytvárajúcom štyri hexagonálne kryštály; to zabezpečuje vlastnosti polovodičov so širokou pásmovou medzerou. Vytláčaním alebo izostatickým lisovaním za studena možno tieto materiály tvarovať do tyčí alebo rúrok na použitie ako tyčinky a trubice.

Chemické vlastnosti

Karbid kremíka (SiC), častejšie označovaný ako karborundum, je tvrdá chemická zlúčenina kremíka a uhlíka so širokou pásmovou medzerou a polovodičovými vlastnosťami. Žiaruvzdorný v prírode, SiC je tiež známy svojou vysokou tepelnou vodivosťou a nízkou tepelnou rozťažnosťou, vďaka ktorej je veľmi odolný voči tepelným šokom.

Kryštalický SiC kryštalizuje v tesnej štruktúre so štyrmi atómami kremíka a štyrmi atómami uhlíka viazanými v tetraedrickej koordinácii a má viac ako 70 polytypov; alfa SiC sa najčastejšie vyskytuje pri teplotách nad 2000 stupňov Celzia s hexagonálnou kryštálovou štruktúrou podobnou wurtzitu. Medzitým sa pri nižších teplotách vyskytuje beta modifikácia s kryštálovou štruktúrou zinkblendu podobnou diamantu a tvorba sfaleritu.

Karborundum je v prírode mimoriadne vzácna látka, ale vo vesmíre je základným prvkom meteoritov bohatých na uhlík. Tento materiál, ktorý prvýkrát umelo syntetizoval Edward Acheson v roku 1891 v rámci svojej práce na výrobe umelých diamantov, bol nakoniec v roku 1893 prirodzene objavený v arizonskom meteorite Canyon Diablo a pomenovaný moissanit podľa nositeľa Nobelovej ceny Henriho Moissana.

Mechanické vlastnosti

Karbid kremíka má extrémne tvrdý povrch s hodnotou 9 na Mohsovej stupnici, čo z neho robí najtvrdšiu neoxidovú keramiku a jeden z najtvrdších materiálov vôbec. Je vynikajúcou voľbou materiálu pre aplikácie zahŕňajúce mechanické opotrebovanie, ako sú abrazíva a žiaruvzdorné materiály, pričom sa môže pochváliť dobrými tepelnými vlastnosťami, ktoré odolávajú prostrediu s vysokou teplotou, ako aj tepelným šokom.

Polovicu atómov uhlíka nahrádza kremík, ktorý vďaka podobnému atómovému polomeru kremíka a uhlíka zabezpečuje lepšie vlastnosti vedenia tepla, čo pomáha znižovať rozptyl fonónov.

Karbid kremíka sa vyskytuje vo forme žltých až zelených až modročiernych dúhových kryštálov, ktoré sa rozkladom pri teplote 2700 stupňov C zušľachťujú. Hoci je SiC nerozpustný vo vode, je rozpustný v roztavených alkáliách, ako sú NaOH a KOH, ako aj v roztavenom železe a jeho Youngov modul a tvrdosť závisia od štruktúry, porúch usporiadania, veľkosti zŕn a charakteru hraníc zŕn.

Elektrické vlastnosti

Široký energetický pás karbidu kremíka mu umožňuje odolávať vyšším teplotám a napätiam ako kremík, vďaka čomu je vhodný pre aplikácie vyžadujúce rýchle a zároveň spoľahlivé elektronické zariadenia. Okrem toho je jeho schopnosť odolávať takýmto napätiam neoceniteľná v batériových systémoch elektrických vozidiel, ktoré znižujú veľkosť aj hmotnosť tým, že úplne eliminujú meniče.

SiC je populárny materiál vďaka kombinácii keramických a polovodičových vlastností, ktoré prispievajú k rozvoju elektronických technológií. Okrem toho jeho tvrdosť, pevnosť, nízka tepelná rozťažnosť a odolnosť voči chemickým reakciám prispeli k nárastu jeho popularity.

Karbid kremíka sa vyrába zahrievaním čistého kremičitého piesku s uhlíkom v elektrickej peci, pričom sa vytvárajú ingoty metalurgických a abrazívnych tried, ktoré sa podľa kvality a zamýšľaného použitia označujú ako a-SiC a b-SiC. Po vytvorení sa ingoty rozrežú na rôzne veľkosti a tvary v závislosti od požadovaných aplikácií a potom sa zmiešajú s ďalšími prvkami, ako je hliník alebo dusík, aby sa dosiahli požadované vlastnosti.