Piikarbidi

Piikarbidi, joka on kovuudestaan, lujuudestaan ja kemiallisesta kestävyydestään tunnettu ei-oksidinen keraaminen materiaali, on laajalti käytössä hioma-aineena ja timanttia jäljittelevänä materiaalina. Lisäksi tätä ei-oksidista keraamista materiaalia käytettiin ensimmäisenä LED-valojen ja varhaisissa radioissa käytettyjen ilmaisimien valmistuksessa.

Synteettistä piikarbidia valmistetaan saattamalla piidioksidi ja hiili reagoimaan reaktiouunissa korkeassa lämpötilassa, jolloin lopputuotteeksi saadaan pellettejä tai jauhetta.

Ominaisuudet

Piikarbidi (SiC) on tekninen keraaminen materiaali, joka tunnetaan erinomaisesta korkean lämpötilan lujuudestaan, hapettumiskestävyydestään, ylivoimaisesta kovuudestaan ja alhaisesta ominaispainostaan; näiden ominaisuuksien ansiosta se soveltuu suurikokoisten komponenttien valmistukseen. Huoneenlämpötilassa se muodostaa tetraedrisiä rakenteita, jotka koostuvat Si-atomeista, jotka ovat sitoutuneet neljään C-atomiin neljässä kulmassa; sen 215 polytyypistä vain alfa-muoto (a-SiC) ja b-SiC, joilla on kuutiollinen sinkkiblende-kiteinen rakenne, ovat teknologisesti kiinnostavia.

Laaja kaistaväli tekee grafeenista erinomaisen materiaalin kaasusensoreihin, ja sen korkean lämmönjohtavuuden ansiosta se kestää erittäin korkeita lämpötiloja – mikä tekee siitä ihanteellisen uunisovelluksiin.

Rautaoksidit ovat sekä hankaavia että kulutusta kestäviä, kemiallisesti inerttejä happojen ja emästen suhteen, ja kovuudeltaan toiseksi kovimpia timantin jälkeen. Näiden ominaisuuksien ansiosta niitä käytetään monissa sovelluksissa, kuten materiaalien leikkauksessa, ballististen suojauskomponenttien valmistuksessa ja jopa ilmailu- ja avaruusteollisuudessa; tästä syystä niille on annettu lempinimi ”lohikäärmeen iho”.

Synteettistä SiC:tä valmistetaan käyttämällä raaka-aineina puhdasta kvartsihiekkaa ja kivihiilikoksista peräisin olevaa hiiltä. Seos kootaan hiilijohtimen ympärille tiiliseinäiseen vastusuuniin, ja sen läpi johdetaan sähkövirta; syntyvän kemiallisen reaktion tuloksena muodostuu SiC:tä, ja sivutuotteena syntyy hiilimonoksidia.

Hakemukset

Piikarbidi on yksi ihmiskunnan tuntemista kovimmista aineista, minkä vuoksi se sopii erinomaisesti kulutusta kestäviksi pinnoitteiksi esimerkiksi levyjarruissa ja sähköliittimissä. Lisäksi piikarbidista valmistetut komponentit ovat osa luodinkestäviä suojapanssareita, kuten Dragon Skin -tuotetta (märkä- tai kuivajauhettu, piikarbidiviiksillä vahvistettu alumiinioksidi).

Kovuus ja lujuus tekevät hiiliteräksestä ihanteellisen materiaalin leikkuutyökalujen tai muiden teollisuustuotteiden valmistukseen, jotka voivat joutua alttiiksi korkeille lämpötiloille tai tärinälle, kuten leikkuutyökalut. Hiiliteräs on myös houkutteleva, luistamaton vaihtoehto lattia- tai portaiden askelmille tai terassimaalien koostumuksiin – ja sitä käytetään laajalti myös mekaanisten tiivisteiden komponentteina pumpuissa, kompressoreissa ja sekoittimissa, jotka todennäköisesti toimivat vaativissa ympäristöissä, mukaan lukien erittäin syövyttävät ympäristöt.

SiC on puhtaassa muodossaan tyypillisesti sähköeriste; tietyt epäpuhtaudet voivat kuitenkin muuttaa tätä ominaisuutta ja muuttaa sen puolijohdemateriaaliksi. Kun siihen lisätään alumiini-, boori- ja gallium-seostusaineita, ne luovat P-tyyppiset puolijohdeominaisuudet; typpi- ja fosfori-seostusaineet voivat puolestaan muuttaa sen N-tyyppiseksi puolijohteeksi. Yhdistettynä metallioksididielektrikoihin, kuten DiOXE-yhdisteisiin, sitä voidaan myös kerrostuttaa Schottky-este-diodeihin, bipolaaritransistoreihin ja MOSFET-transistoreihin, jotka kestävät suuria jännitteitä mutta joilla on alhainen kytkentävastus – näistä laitteista tulee tällöin välttämättömiä työkaluja erilaisissa elektroniikkasovelluksissa, joissa vaaditaan nopeaa toimintaa.

Valmistelu

Piikarbidin valmistamiseksi on kehitetty lukuisia menetelmiä. Yksi tällainen menetelmä, jonka Edward Goodrich Acheson kehitti vuonna 1893 ja jota nykyään käytetään laajalti lukuisissa piikarbiditehtaissa ympäri maailmaa, tunnetaan nimellä Acheson-prosessi. Siinä piidioksidi sekoitetaan hiilen kanssa sähköuunissa ennen kuumentamista. Menetelmä on edelleen laajalti käytössä, ja lukuisat tuotantolaitokset käyttävät sitä nykyäänkin korkealaatuisten piikarbidituotteiden valmistuksessa.

New Mexicon yliopistossa äskettäin tehdyssä tutkimuksessa kehitettiin nykyaikaisempi tekniikka, jota kutsutaan ”top-down”-lähestymistavaksi. Menetelmässä tutkijat irrottivat kuusikulmaista piikarbidimassaa joko isopropyylialkoholissa tai N-metyyli-2-pyrrolidonissa ennen kuin muuttivat sen sidoksen sp3-muodosta sp2-muotoon. Näin yksikerroksinen piikarbidi saatiin eristettyä huomattavasti nopeammin ja yksinkertaisemmin kuin aikaisemmilla menetelmillä, jotka vaativat kalliita laitteita. Tämä top-down-lähestymistapa mahdollistaa yksikerroksisen piikarbidin huomattavasti nopeamman eristämisen.

Tutkimusryhmä on tutkinut myös kaasuvaihemenetelmiä piikarbidin valmistamiseksi. Nämä prosessit voivat olla nopeita, tuottaa suuria saantoja ilman kiinteän tilan katalyyttejä ja ovat ympäristöystävällisempiä kuin perinteinen kalsinointimenetelmä.

Osana näitä kaasuvaiheisia reaktioita testattiin erilaisia happea sisältäviä organosilaaniprekursoreita, kuten tetraetoksisilaania ja metyylitrietoksisilaania (MTES), mukaan lukien tetraetoksisilaani ja MTES. MTES:n hydrolysointi fenolihartsin, etyyliselluloosan, polyakryylinitriilin ja tärkkelyksen kanssa muodosti geelin, joka hiiltyi 750 °C:ssa muodostaen mesoporoisen b-SiC-katalyyttitukimateriaalin.

Ominaisuudet

Piikarbidi on erittäin luja keraaminen materiaali, jota käytetään monilla aloilla. Sille on ominaista suuri lujuus, kovuus, alhainen lämpölaajenemiskerroin ja hyvä kulutuskestävyys – lisäksi se kestää lämpöshokkeja ja on kemiallisesti korroosionkestävä. Piikarbidia käytetään muun muassa auto-, kone- ja kemianteollisuudessa sekä ympäristönsuojelussa, avaruusteknologiassa, tietotekniikassa, elektroniikassa ja energiantuotannossa sekä monilla muilla aloilla.

SiC on laajakaistainen puolijohdemateriaali (jonka elektronikaistaväli vaihtelee a-SiC:n 2,4 eV:n ja b-SiC:n 3,3 eV:n välillä), jolla on erinomainen sähkönjohtavuus ja lämpötilavakaus. Näiden ominaisuuksien ansiosta se on houkutteleva vaihtoehto sähkökomponenteihin, sillä se tarjoaa erinomaista luotettavuutta ja tehokkuutta erityisesti suuritehoisissa sovelluksissa.

Karborundumi, joka on toinen tiheä SiC-muoto ja yksi maapallon kahdesta kovimmasta luonnonmineraalista timantin jälkeen (9–10 Mohs), on kovalenttinen kiderakenne, joka perustuu Si–C-sidoksiin, joissa pii- tai hiiliatomeja ympäröivät tetraedrit muodostavat wurtsiitin kaltaisia kuusikulmaisia kiderakenteita; Yleisin on a-SiC-polymorf, jolla on kuusikulmainen kiderakenne, kun taas beta-muoto, jolla on sinkkiblende-kiderakenne, on harvinaisempi.

Synteettisen SiC:n nykyaikaisessa tuotannossa jauhettua hiekkaa saatetaan reagoimaan hiilen kanssa sähköuunissa korkeissa lämpötiloissa ja paineissa, minkä jälkeen se sintrataan, jolloin sen rakeet sitoutuvat toisiinsa muodostaen poikkeuksellisen kovan ja kestävän materiaalin. Hioma-ainevalmistajat käyttävät tyypillisesti reaktiosidottua sintrattua materiaalia, kun taas edistyneiden elektroniikkalaitteiden valmistajat hyödyntävät Lely-menetelmää tai kemiallista kaasufaasipinnoitusta. Työntekijät, jotka altistuvat kummankin menetelmän avulla valmistetuille hioma-aineille, voivat olla suuremmassa riskissä sairastua diffuusiin interstitiaaliseen keuhkofibroosiin tai muihin keuhkosairauksiin.