Kiselkarbid är en extremt hård och stark icke-oxidkeramik med utmärkta högtemperaturegenskaper, som används inom många olika branscher för krävande applikationer.
Fraktografisk undersökning av provkroppar som testats i argon vid 1500-2100 grader visade att endast det yttersta lagret var oxiderat; endast dess oxidskala innehöll deformerade och långsträckta borkorn med omgivande whiskers av WO3.
Termodynamik
Kiselkarbid (SiC) är ett inert keramiskt material som har många önskvärda industriella egenskaper. Dessa inkluderar hög hållfasthet, slitstyrka, motståndskraft mot termisk chock och värmeledningsförmåga - samt att det är syra- och alkalibeständigt och kan motstå temperaturer upp till 1600 degC.
SiC kan fungera antingen som en elektrisk isolator eller halvledare beroende på dopningsnivå och sammansättning. Dopning med kväve eller fosfor skapar en ledningsförmåga av n-typ medan dopning med bor, gallium eller aluminium kan generera ledningsförmåga av p-typ.
Kiselkarbid används idag i stor utsträckning i industrier som sträcker sig från ståltillverkning, värmebehandling av metaller, produktion av flytglas och tillverkning av keramik och elektronikkomponenter till kompositpansar (t.ex. Chobham armour) och produktion av skottsäkra västar.
SiC smälter som en funktion av både tryck och temperatur, och dess smälttemperatur bestäms av båda variablerna. Vid låga tryck uppvisar dess fasdiagram inkongruent smältning som sker som en jämviktsblandning av kubisk 3C-kristall och hexagonal 6H-kristall (se [17]). Vid högre tryck har studier dock observerat att den smälter kongruent och bildar vätska med en entydig smältkurva enligt figur 5. Dess långsamma kinetik beror sannolikt på stora skillnader mellan kolets atomradie och kiselets atomradie (se [18]).
Tryck
Kiselkarbid har skapat rubriker på grund av sina halvledande egenskaper, i synnerhet dess överlägsna spänningsresistans jämfört med vanligt kisel. Dessutom kan kiselkarbid användas som slipmedel och i eldfasta applikationer som högpresterande bromsskivor för bilar.
SiC förekommer oftast som alfa-kiselkarbid (a-SiC), med en hexagonal kristallstruktur som liknar Wurtzite. Betaformen kan dock också bildas vid lägre temperaturer, men har begränsade kommersiella tillämpningar. SiC är känt för att vara ett segt och slitstarkt material med diamantliknande egenskaper som är motståndskraftigt mot värme och korrosion.
Kiselkarbid produceras som pulver eller kristaller för användning i olika eldfasta, slipande och metallurgiska applikationer. I kombination med grafit används den ofta för att producera kolfiberförstärkt kiselkarbid som används i högpresterande bromsskivor för bilar.
Lely-processen är det vanligaste sättet att tillverka kiselkarbid. Den innebär att en blandning av kiselsand och kol (vanligtvis koks) upphettas till mycket höga temperaturer i en granitdegel med en kolledare som elektrod, medan elektrisk ström passerar genom koks och skapar kemiska reaktioner som möjliggör sublimering vid lägre temperaturer och avsättning på grafitstavar vid svalare temperaturer, vilket resulterar i rena gröna kristaller av SiC som kallas moissanit.
Diffusion
Kiselkarbid (SiC) är ett amorft kristallint material med en extremt hög smältpunkt (2700oC). På grund av de starka kovalenta bindningarna mellan Si- och C-atomerna uppvisar kiselkarbid extrem hårdhet och sprödhet, men kan inte mäta sig med diamantens hårdhet (9,5 Mohs skala). Finns naturligt som moissanit som upptäcktes vid Canyon Diablo meteor krater i Arizona 1893; alternativt tillverkas artificiellt med hjälp av reduktion kiseldioxid-kol i en elektrisk ugn vid höga temperaturer.
Kiselkarbid används i stor utsträckning på grund av sina exceptionella fysikaliska och kemiska egenskaper. Den har överlägsna elektriska egenskaper som 10 gånger högre spänningsresistans än standardkisel och bättre prestanda i system som arbetar med över 1000 V än galliumnitrid; dessutom uppvisar den motståndskraft mot termisk chock samt slitstyrka.
Som ett led i arbetet med att förbättra kiselkarbidens isoleringsförmåga täcks den ofta med ett kolskikt (s.k. C-cap) för att minska nedbrytningen under glödgningsprocesser vid höga temperaturer. Tyvärr kan dock denna beläggning också ha skadliga effekter på självdiffusionen genom att uppmuntra Frenkel-parbildning och skapa orörliga antisiter (se figur 4 för en illustration av detta fenomen). Figur 4 visar en jämförelse mellan prover utan beläggning och prover med C-beläggning som glödgats vid 1700oC i en timme; 30 profilformerna skiljer sig åt mellan proverna på grund av pinholes som finns på prover med C-beläggning som glödgats vid 1700oC i en timme i båda proverna, vilket framgår av skillnader mellan deras Arrhenius-plottar av självdiffusionskurvor (vilket indikerar att pinholes finns på prover med C-beläggning).
Temperatur
Kiselkarbid (SiC) är ett icke-oxidiskt keramiskt material med anmärkningsvärd termisk stabilitet och styrka vid förhöjda temperaturer. SiC består av tätt packade kol- och kiselatomer som är bundna av kristallgitterstrukturer och har en mycket hög smältpunkt - en egenskap som gör det lämpligt för industriella användningsområden där extrema temperaturer förekommer.
Ren SiC är inte en utmärkt elektrisk ledare, men genom att dopa den med specifika dopningsmedel ökar ledningsförmågan avsevärt. Dessutom överstiger SiC:s motståndskraft mot termisk chock och krypning andra keramiska material för höga temperaturer, t.ex. aluminiumoxid eller borkarbid.
Inom stålindustrin är 90% kiselkarbid en integrerad komponent i basiska syreugnar (BOF). Den fungerar som bränsle för att öka förhållandet mellan skrot och varm metall och höja tapptemperaturen; dessutom hjälper den till att avoxidera stål samtidigt som den rensar bort föroreningar från smältbadet - och är ett effektivt sätt att kontrollera kolhalten i stålsmältan.
SiC används inte bara inom stålindustrin utan har även många andra användningsområden. Det fungerar t.ex. som en effektiv katalysator vid framställning av polyvinylklorid och andra organiska föreningar. Vidare kan SiC användas för att producera aluminiumoxid och borkarbider; dessutom är det en integrerad komponent i kompositpansar såsom Chobham-pansar.