Visoka temperatura taljenja silicijevega karbida

Silicijev karbid je izjemno trda in trdna neoksidna keramika z odličnimi lastnostmi pri visokih temperaturah, ki se široko uporablja v številnih industrijskih panogah za zahtevne namene.

Fraktografska analiza vzorcev, preskušanih v argonu pri temperaturi 1500–2100 °C, je pokazala, da je bil oksidiran le najbolj zunanji sloj; le v njegovi oksidni skorji so bila prisotna deformirana in podolgovata zrna bora, obdana z nitkami WO₃.

Termodinamika

Silicijev karbid (SiC) je inertna keramična snov, ki se ponaša z mnogimi zaželenimi industrijskimi lastnostmi. Mednje spadajo visoka trdnost, odpornost proti obrabi, odpornost proti toplotnim šokom in toplotna prevodnost – poleg tega je odporen proti kislinam in lugom ter lahko prenese temperature do 1600 °C.

SiC lahko deluje bodisi kot električni izolator bodisi kot polprevodnik, odvisno od stopnje dopiranja in sestave. Dopiranje z dušikom ali fosforjem ustvari prevodnost tipa n, medtem ko dopiranje z borom, galijem ali aluminijem lahko ustvari prevodnost tipa p.

Karbid silicija se danes široko uporablja v različnih panogah, od proizvodnje jekla, toplotne obdelave kovin, proizvodnje plavajočega stekla ter izdelave keramike in elektronskih komponent do kompozitnih oklepov (kot je na primer Chobhamov oklep) in proizvodnje neprebojnih jopičev.

SiC se tali v odvisnosti od tlaka in temperature, pri čemer temperaturo taljenja določata obe spremenljivki. Pri nizkih tlakih njegov fazni diagram prikazuje nekonformno taljenje, ki poteka kot ravnovesna mešanica kubičnega kristala 3C in heksagonalnega kristala 6H (glej [17]). Pri višjih tlakih pa so študije pokazale, da se taljenje odvija skladno, pri čemer nastane tekočina z nedvoumno krivuljo taljenja, kot je prikazano na sliki 5. Njegova počasna kinetika je verjetno posledica velikih razlik med polmeri ogljikovih atomov v primerjavi s polmeri silicijevih atomov (glej [18]).

Tlak

Silicijev karbid je pritegnil pozornost zaradi svojih polprevodniških lastnosti, zlasti zaradi svoje izjemne odpornosti proti napetosti v primerjavi z običajnim silicijem. Poleg tega se silicijev karbid lahko uporablja tudi kot brusivo ter v ognjevzdržnih aplikacijah, kot so visokozmogljive zavorne plošče za avtomobile.

SiC se najpogosteje pojavlja v obliki alfa-silicijevega karbida (a-SiC), katerega heksagonalna kristalna struktura je podobna wurtzitu. Vendar se pri nižjih temperaturah lahko oblikuje tudi beta-oblika, ki pa ima omejene komercialne uporabe. SiC je znan kot trden in odporen material z lastnostmi, podobnimi diamantu, ki je odporen proti vročini in koroziji.

Silicijev karbid se proizvaja v obliki prahu ali kristalov za uporabo v različnih ognjevzdržnih, abrazivnih in metalurških aplikacijah. V kombinaciji z grafitom se pogosto uporablja za proizvodnjo silicijevega karbida, ojačanega z ogljikovimi vlakni, ki se uporablja v visokozmogljivih zavornih diskih za avtomobile.

Lelyjev postopek je najpogostejši način proizvodnje silicijevega karbida. Pri tem se mešanica kremenčevega peska in premoga (običajno koksa) segreva na zelo visoke temperature v granitnem loncu, pri čemer ogljikov vodnik deluje kot elektroda, medtem ko električni tok teče skozi koks, kar povzroča kemijske reakcije, ki omogočajo sublimacijo pri nižjih temperaturah in usedanje na grafitne palice pri nižjih temperaturah, kar ima za posledico nastanek čistih zelenih kristalov SiC, znanih kot moissanit.

Difuzija

Silicijev karbid (SiC) je amorfno-kristalna snov z izjemno visoko tališčno točko (2700 °C). Zaradi močnih kovalentnih vezi med atomi Si in C se silicijev karbid odlikuje po izjemni trdnosti in krhkosti, čeprav ne dosega trdnosti diamanta (9,5 po Mohsovi lestvici). V naravi se pojavlja kot moissanit, ki je bil odkrit leta 1893 v meteoritem kraterju Canyon Diablo v Arizoni; alternativno se proizvaja umetno z redukcijo silicijevega dioksida in ogljika v električni peči pri visokih temperaturah.

Silicijev karbid se zaradi svojih izjemnih fizikalnih in kemijskih lastnosti široko uporablja. Odlikujejo ga vrhunske električne lastnosti, kot je 10-krat večja napetostna odpornost v primerjavi s standardnim silicijem, v sistemih, ki delujejo pri napetostih nad 1000 V, pa dosega boljše rezultate kot galijev nitrid; poleg tega je odporen proti toplotnim šokom in obrabi.

V okviru prizadevanj za izboljšanje izolacijskih lastnosti silicijevega karbida se ta pogosto prekrije s plastjo ogljika (znano kot C-cap), da se zmanjša degradacija med postopki žarjenja pri visokih temperaturah. Na žalost pa lahko ta prevleka škodljivo vpliva tudi na samodifuzijo, saj spodbuja nastajanje Frenkelovih parov in ustvarja nepremične antisite (glej sliko 4 za ponazoritev tega pojava). Slika 4 prikazuje primerjavo med vzorci brez prevleke in vzorci s C-prevleko, žarjenimi eno uro pri 1700 °C; Oblike profilov se med vzorci razlikujejo zaradi luknjic, prisotnih na vzorcih s C-kapo, žarjenih eno uro pri 1700 °C v obeh vzorcih, kar dokazujejo razlike med njihovimi Arrheniusovimi grafikoni krivulj samodifuzije (kar kaže na prisotnost luknjic na vzorcu s C-kapo).

Temperatura

Silicijev karbid (SiC) je neoksidna keramična snov z izjemno toplotno stabilnostjo in trdnostjo pri visokih temperaturah. Sestavljen je iz gosto zapakiranih atomov ogljika in silicija, povezanih v kristalno mrežo, zato ima SiC zelo visoko tališče – lastnost, zaradi katere je primeren za industrijsko uporabo v okoljih z ekstremnimi temperaturami.

Čisti SiC ni odličen električni prevodnik; vendar pa njegova prevodnost z dodajanjem določenih dopantov znatno naraste. Poleg tega sta odpornost proti toplotnim šokom in odpornost proti lezanju pri SiC večja kot pri drugih visokotemperaturnih keramičnih materialih, kot sta aluminijev oksid ali borov karbid.

V jeklarski industriji je silicijev karbid 90% sestavni del osnovnih kisikovih peči (BOF). Služi kot gorivo za povečanje razmerja med odpadnim jeklom in vročo kovino ter za zvišanje temperature pri izlivanju; poleg tega pomaga pri deoksidaciji jekla in odstranjevanju nečistoč iz talilne kadi – hkrati pa je tudi učinkovito sredstvo za nadzorovanje vsebnosti ogljika v taljeni jekleni masi.

SiC se ne uporablja le v jeklarski industriji, temveč ima tudi številne druge uporabe. Na primer, služi kot učinkovit katalizator pri proizvodnji polivinilklorida ter drugih organskih spojin. Poleg tega se SiC lahko uporablja za proizvodnjo aluminijevega oksida in borovih karbidov; prav tako je sestavni del kompozitnih oklepov, kot je na primer Chobhamov oklep.