Formula silicijevega karbida

Silicijev karbid (SiC) je izjemno trda sintetična spojina silicija in ogljika, ki se v naravi pojavlja kot dragulj moissanit in, v manjšem obsegu, v ogljikovih hondritnih meteoritih.

Kvarec, ki nastane s taljenjem kremenčevega peska in koksa pri visokih temperaturah v električni peči, obstaja v vsaj 70 različnih kristalnih oblikah; najbolj razširjena je alfa-oblika s heksagonalno kristalno strukturo, podobno wurtzitu.

Fizikalne lastnosti

Silicijev karbid, bolj znan pod imenom karborund, je neoksidna keramična spojina z izjemno trdoto in kemično odpornostjo, ki po teh lastnostih zaostaja le za diamantom. Poleg tega je čisti silicijev karbid odporen proti oksidaciji pri višjih temperaturah, kar zagotavlja zanesljivejšo električno prevodnost.

Za proizvodnjo SiC se kremenčev pesek skupaj z ogljikom segreje v električni peči. Tako pridobljena kristalna snov, ki je barvno od zelene do modro-črne, se nato lahko razvrsti v različne kakovostne razrede z različnimi fizikalnimi lastnostmi: na primer, metalurški razred A ima grobe plasti, medtem ko gladkejši kristali razreda B tvorijo gladkejše strukture.

Ti polimorfni tipi slojnih struktur imajo značilne električne, optične in toplotne lastnosti. Njihove atomske vezi sestavljajo štirje atomi silicija, povezani s štirimi atomi ogljika v nepravilnem kvadratnem vzorcu, ki tvori štiri heksagonalne kristale; to jim zagotavlja lastnosti polprevodnika s široko energijsko vrzeljo. S pomočjo ekstrudiranja ali hladnega izostatičnega stiskanja je mogoče te materiale oblikovati v palice ali cevi za uporabo kot palice in cevi.

Kemijske lastnosti

Silicijev karbid (SiC), bolj znan pod imenom karborund, je trdna kemična spojina silicija in ogljika z lastnostmi polprevodnika s široko energijsko vrzeljo. SiC je po naravi ognjevzdržen in znan tudi po visoki toplotni prevodnosti ter nizkem toplotnem raztezanju, zaradi česar je izjemno odporen proti toplotnim šokom.

Kristalinični SiC kristalizira v gosto zapolnjeni strukturi, v kateri so štirje atomi silicija in štirje atomi ogljika vezani v tetraedrični koordinaciji, in ima več kot 70 polimorfov; alfa-SiC se najpogosteje pojavlja pri temperaturah nad 2000 °C s heksagonalno kristalno strukturo, podobno wurtzitu. Medtem pa se beta-modifikacija s cinkblendno kristalno strukturo, podobno diamantu in sfaleritu, pojavlja pri nižjih temperaturah.

Karborund je v naravi izjemno redka snov, v vesolju pa je pogost element v ogljikovih meteoritih. Prvič ga je umetno sintetiziral Edward Acheson leta 1891 v okviru svojega dela na področju proizvodnje umetnih diamantov, leta 1893 pa so ga končno odkrili v naravi v meteoritu Canyon Diablo v Arizoni in ga poimenovali moissanit po Nobelovem nagrajencu Henriju Moissanu.

Mehanske lastnosti

Silicijev karbid ima izjemno trdo površino s trdoto 9 po Mohsovi lestvici, kar ga uvršča med najtrdnejše neoksidne keramike in med najtrdnejše materiale nasploh. Je odlična izbira za uporabo v aplikacijah, kjer pride do mehanske obrabe, kot so brusiva in ognjevzdržni materiali, hkrati pa se ponaša z dobrimi toplotnimi lastnostmi, ki omogočajo uporabo v okoljih z visokimi temperaturami ter odpornost proti toplotnim šokom.

Silicij nadomesti polovico ogljikovih atomov, kar zagotavlja boljše lastnosti toplotnega prevajanja zaradi podobnega atomskega polmera silicija in ogljika – s čimer pomaga zmanjšati razpršitev fononov.

Silicijev karbid se pojavlja v obliki rumenih, zelenih do modro-črnih mavričnih kristalov, ki se pri 2700 °C sublimirajo in razgradijo. Čeprav je SiC netopljiv v vodi, je topen v staljenih alkalijah, kot sta NaOH in KOH, ter v staljenem železu; njegov Youngov modul in trdota sta odvisna od teksture, napak v zlaganju, velikosti zrn in narave zrnatih mej.

Električne lastnosti

Široka energijska vrzel silicijevega karbida mu omogoča, da prenese višje temperature in napetosti kot silicij, zaradi česar je primeren za uporabo v aplikacijah, ki zahtevajo hitre, a zanesljive elektronske naprave. Poleg tega je njegova sposobnost prenašanja takšnih napetosti neprecenljiva v akumulatorskih sistemih električnih vozil, kjer se z popolno odpravo inverterjev zmanjšata tako velikost kot teža.

SiC je priljubljen material zaradi kombinacije keramičnih in polprevodniških lastnosti, kar prispeva k napredku elektronske tehnologije. Poleg tega so k njegovi vse večji priljubljenosti prispevale tudi njegova trdota, trdnost, nizka toplotna raztegljivost in odpornost proti kemičnim reakcijam.

Silicijev karbid nastane z ogrevanjem čistega kremenčevega peska skupaj z ogljikom v električni peči, pri čemer nastanejo ingoti tako metalurške kot abrazivne kakovosti, znani kot a-SiC in b-SiC, odvisno od kakovosti in namena uporabe. Po oblikovanju ingotov se ti razrežejo na različne velikosti in oblike, odvisno od želenih uporab, preden se jim za doseganje želenih lastnosti primešajo dodatni elementi, kot sta aluminij ali dušik.