Silisyum Karbürün Yüksek Erime Sıcaklığı

Silisyum karbür, zorlu uygulamalar için birçok endüstride yaygın olarak kullanılan, mükemmel yüksek sıcaklık özelliklerine sahip, son derece sert ve güçlü bir oksit olmayan seramiktir.

Argonda 1500-2100 degC'de test edilen numunelerin fraktografik incelemesi sadece en dış tabakanın oksitlendiğini göstermiştir; sadece oksit skalası, çevreleyen WO3 bıyıkları ile deforme olmuş ve uzamış bor taneleri içermiştir.

Termodinamik

Silisyum karbür (SiC), arzu edilen birçok endüstriyel özelliğe sahip olan inert bir seramik malzemedir. Bunlar arasında yüksek mukavemet, aşınma direnci, termal şok direnci ve termal iletkenliğin yanı sıra asit ve alkalilere dayanıklı olması ve 1600 degC'ye kadar sıcaklıklara dayanabilmesi sayılabilir.

SiC, katkılama seviyesine ve bileşimine bağlı olarak bir elektrik yalıtkanı veya yarı iletken olarak hareket edebilir. Azot veya fosfor katkısı n-tipi iletkenlik yaratırken bor, galyum veya alüminyum katkısı p-tipi iletkenlik oluşturabilir.

Silisyum Karbür günümüzde çelik üretimi, metallerin ısıl işlemi, float cam üretimi ve seramik ve elektronik bileşenlerin imalatından kompozit zırh (Chobham zırhı gibi) ve kurşun geçirmez yelek üretimine kadar çeşitli sektörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

SiC hem basınç hem de sıcaklığın bir fonksiyonu olarak erir ve erime sıcaklığı her iki değişken tarafından belirlenir. Düşük basınçlarda, faz diyagramı 3C kübik kristal ve 6H hekzagonal kristalin denge karışımı olarak meydana gelen uyumsuz erime gösterir (bkz. [17]). Ancak daha yüksek basınçlarda, çalışmalar Şekil 5'te görüldüğü gibi kesin bir erime eğrisi ile sıvı oluşturmak için uyumlu bir şekilde eridiğini gözlemlemiştir. Yavaş kinetiği muhtemelen karbon atomik yarıçap farkları ile silikon atomik yarıçap farkları arasındaki büyük farklardan kaynaklanmaktadır (bkz. [18].

Basınç

Silisyum karbür, yarı iletken özellikleri, özellikle de normal silikona kıyasla üstün voltaj direnci performansı nedeniyle manşetlere çıkmıştır. Ayrıca, silisyum karbür aşındırıcı olarak ve otomobiller için yüksek performanslı fren diskleri gibi refrakter uygulamalarda da kullanılabilir.

SiC en sık Wurtzite benzer altıgen kristal yapısı ile alfa silisyum karbür (a-SiC) olarak bulunur. Bununla birlikte, beta formu da daha düşük sıcaklıklarda oluşabilir, ancak sınırlı ticari uygulamaları vardır. SiC, ısıya ve korozyona dayanıklı, elmas benzeri niteliklere sahip sert ve dayanıklı bir malzeme olarak bilinir.

Silisyum karbür, çeşitli refrakter, aşındırıcı ve metalürjik uygulamalarda kullanılmak üzere toz veya kristal olarak üretilir. Grafit ile birlikte genellikle otomobiller için yüksek performanslı fren disklerinde kullanılan karbon fiber takviyeli silisyum karbür üretmek için kullanılır.

Lely süreci, silisyum karbür üretiminde kullanılan bir yöntemdir. Bu, silis kumu ve kömür (genellikle kok) karışımının elektrot görevi gören karbon iletkenli bir granit potada çok yüksek sıcaklıklarda ısıtılmasını içerirken, elektrik akımı koktan geçerek daha düşük sıcaklıklarda süblimleşmeye izin veren kimyasal reaksiyonlar yaratır ve daha soğuk sıcaklıklarda grafit çubuklar üzerinde birikerek mozanit olarak bilinen saf yeşil SiC kristalleri elde edilir.

Difüzyon

Silisyum karbür (SiC), son derece yüksek erime noktasına (2700oC) sahip amorf kristalli bir malzemedir. Si ve C atomları arasındaki güçlü kovalent bağlar nedeniyle Silisyum Karbür, elmasın sertliği (9,5 Mohs ölçeği) ile eşleşmemekle birlikte aşırı sertlik ve kırılganlık sergiler. Doğal olarak 1893 yılında Arizona'daki Canyon Diablo meteor kraterinde keşfedilen mozanit olarak bulunur; alternatif olarak yüksek sıcaklıklarda elektrikli bir fırında indirgenmiş silika-karbon kullanılarak yapay olarak üretilir.

Silisyum Karbür, olağanüstü fiziksel ve kimyasal özellikleri nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Standart silisyumdan 10 kat daha yüksek voltaj direnci ve 1000V üzerinde çalışan sistemlerde galyum nitrürden daha iyi performans göstermesi gibi üstün elektriksel özelliklere sahiptir; ayrıca termal şok direncinin yanı sıra aşınma direnci de gösterir.

Silisyum karbürün yalıtım kabiliyetini artırma çabalarının bir parçası olarak, yüksek sıcaklıkta tavlama işlemleri sırasında bozulmayı azaltmak için genellikle bir karbon tabakası (C-kapağı olarak bilinir) ile kaplanır. Ancak ne yazık ki bu kaplama, Frenkel çifti oluşumunu teşvik ederek ve hareketsiz antisitler oluşturarak kendi kendine difüzyon üzerinde zararlı etkilere de sahip olabilir (bu fenomenin bir örneği için bkz. Şekil 4). Şekil 4, bir saat boyunca 1700oC'de tavlanan kaplamasız ve C-kaplamalı numuneler arasındaki karşılaştırmayı göstermektedir; her iki numunede de bir saat boyunca 1700oC'de tavlanan C-kaplamalı numunelerde bulunan iğne delikleri nedeniyle numuneler arasında 30 profil şekli farklılık göstermektedir, bu durum öz-difüzyon eğrilerinin Arrhenius grafikleri arasındaki farklılıklarla kanıtlanmaktadır (C-kaplamalı numunede bulunan iğne deliklerini göstermektedir).

Sıcaklık

Silisyum karbür (SiC), yüksek sıcaklıklarda dikkate değer termal stabilite ve mukavemete sahip oksit olmayan seramik bir malzemedir. Kristal kafes yapılarıyla birbirine bağlanmış sıkıca paketlenmiş karbon ve silikon atomlarından oluşan SiC, çok yüksek bir erime noktasına sahiptir - bu özellik onu aşırı sıcaklıkların olduğu endüstriyel kullanımlar için uygun hale getirir.

Saf SiC mükemmel bir elektrik iletkeni değildir; ancak belirli dopantlarla katkılanması iletkenliğini önemli ölçüde artırır. Ayrıca, SiC'nin termal şok direnci ve sürünme direnci, alümina veya bor karbür gibi diğer yüksek sıcaklık seramik malzemelerini aşmaktadır.

Çelik endüstrisinde 90% silisyum karbür, bazik oksijen fırınlarının (BOF) ayrılmaz bir bileşenidir. Hurda/sıcak metal oranını artırmak ve musluk sıcaklığını yükseltmek için yakıt görevi görür; ayrıca eritme havuzundaki yabancı maddeleri temizlerken çeliğin oksidasyonunun giderilmesine yardımcı olur ve çelik eriyiğindeki karbon içeriği seviyelerini kontrol etmek için etkili bir araçtır.

SiC sadece çelik endüstrisinde kullanılmaz; başka birçok uygulaması da vardır. Örneğin, polivinil klorürün yanı sıra diğer organik bileşiklerin üretiminde etkili bir katalizör görevi görür. Ayrıca, SiC alümina ve bor karbürleri üretmek için kullanılabilir; ayrıca Chobham zırhı gibi kompozit zırhların ayrılmaz bir bileşenidir.