Kiselkarbid - det tredje hårdaste ämnet på jorden

Kiselkarbid (SiC) är ett hårt, syntetiskt material som består av kisel och kol och som förekommer naturligt i det sällsynta mineralet moissanit, men som också kan tillverkas kommersiellt för användning i sandpapper, slipskivor och skärverktyg. Vidare finns SiC som värmeelement i elektriska ugnar samt som slitstarka komponenter i pumpar och gasturbinmotorer.

Hårdhet

Kiselkarbid rankas på tredje plats på jorden när det gäller hårdhet, efter diamant och borkarbid. På grund av sin hårdhet erbjuder kiselkarbid utmärkt slag- och slitstyrka samt strukturell integritet som krävs för applikationer med höga mekaniska påfrestningar och tryck.

Styrkan hos kristallin kiselkarbid kommer från dess unika kristallstruktur. Den består av tetraedriska strukturer som innehåller kisel- och kolatomer som hålls tätt samman av starka kovalenta bindningar i kristallgittret. Hårdheten och styrkan ökar med mindre kornstorlekar eftersom färre korngränser gör materialet starkare totalt sett.

Låg termisk expansionskoefficient, hög värmeledningsförmåga, nötningsbeständighet och styrka vid höga temperaturer gör det till ett utmärkt val för användning i krävande applikationer. Dessutom ger dess förmåga att motstå kemiska och termiska chocker ytterligare en nivå av utmärkt prestanda.

Kiselkarbid kan formas till olika former och storlekar genom olika bearbetningstekniker, inklusive dopning och legering. Dessa processer tjänar till att förbättra dess elektriska egenskaper såväl som dess mekaniska styrka, seghet och kemiska inerthet; dessutom kan dopnings- och legeringsprocesser också tillämpas för att producera Si-SiC metallmatriskompositer (MMC) som kombinerar metallkärna med SiC-partikelmatrismaterial - vilket ger ökad korrosions- och slitstyrka jämfört med rena kiselkarbidmaterial.

Strukturell integritet

SiC:s höga hållfasthet och motståndskraft mot påfrestningar gör det till ett utmärkt materialval för applikationer som kräver hög mekanisk hållfasthet. I motsats till mer känsliga keramer som aluminiumoxid eller zirkoniumoxid som deformeras under stress, förblir SiC strukturellt sunt även i tuffa miljöer - viktiga egenskaper som bidrar till dess effektivitet under extrema förhållanden där nedbrytning kan påverka prestandan.

Kristallin kiselkarbid utmärker sig som ett enastående material tack vare sin utmärkta kemiska inertitet, som ger det skydd mot tuffa miljöer och bidrar till att säkerställa dess funktionalitet och hållbarhet i krävande driftsmiljöer. Tack vare denna kvalitet samt termisk stabilitet och hårdhet förblir kristallin kiselkarbid funktionell även under rigorösa driftsförhållanden.

Som ett polykristallint material kan kristallin kiselkarbid delas in i två kristalltyper. Dessa är hexagonal alfa a-kiselkarbid och kubisk beta b-kiselkarbid. Alfa a-kiselkarbid med sin Wurtzite-kristallstruktur används oftast och kan dopas med kväve eller fosfor för användning som halvledare av n-typ eller med beryllium, bor, aluminium eller gallium för användning som halvledare av p-typ.

Kristallin kiselkarbid är i sitt renaste tillstånd färglös med en glänsande yta, medan industriprodukter innehåller järnföroreningar som ger materialet dess mörkare nyans. När kristallin kiselkarbid mals till pulverform blir det dock svartgrått till grönt och har en specifik densitet på 3,21 g/cm3, vilket gör det tätare än många keramiska material men mindre tätt än vissa metaller.

Termisk konduktivitet

Kiselkarbid är ett extremt hårt och värmeledande material. På grund av sin höga smältpunkt och värmeledningsförmåga är kiselkarbid ett utmärkt substitut för många metaller i eldfasta applikationer. Dess utmärkta kemiska beständighet gör det dessutom lämpligt för miljöer där det utsätts för syra eller oxidationsmedel; dess kombination av styrka och termisk stabilitet gör det dessutom till ett lämpligt material för beläggningar, skärverktyg och eldfasta komponenter.

SiC utmärker sig också som en enastående elektrisk ledare. På grund av sin höga elektronrörlighet används SiC ofta vid tillverkning av transistorer och halvledarkomponenter tack vare det breda energibandsgapet mellan Si och C som gör att elektroner lätt kan komma in i dess ledningsband.

Värmeledningsförmågan hos fononiska kristaller beror på deras medelfria väg (MFP). När denna längd är kort reflekterar fononer elastiskt från periodiska gränser och bygger interferensmönster som hämmar värmeledningen; när denna längd blir lång ger dock slumpmässig strålning från periodiska gränssnitt mycket högre temperaturberoende och större värmeledning.

SiC med hög renhet kan ha en imponerande värmeledningsförmåga på mellan 3 och 4,9 watt per meterkelvin beroende på kristallstrukturen, vilket vida överträffar ren Si och SiN i värmeledningsförmåga. För att bättre förstå förhållandet mellan mikrostruktur, sammansättning och värmeledningsförmåga i 3C-SiC-prover kan EBSD- och SIMS-analystekniker användas för att undersöka dem.

Motståndskraft mot slitage

Kristallin kiselkarbid har en Mohs-hårdhet på 13, näst efter diamant och borkarbid i hårdhetsskalan, vilket gör den mycket motståndskraftig mot slitage och gör den lämplig för högtrycksmiljöer som mekanisk stress eller applikationer med hög mekanisk påfrestning. Dessutom förhindrar dess strukturella integritet deformation under påfrestning, vilket skyddar komponenterna och förlänger deras livslängd.

Kisel- och kolatomer som är tätt sammanbundna i ett kristallgitter bidrar till materialets exceptionella styrka och styvhet, egenskaper som är nödvändiga för att klara mekaniska påfrestningar som maskinbearbetning eller slipning.

Kemisk inerthet gör keramiska material mycket motståndskraftiga mot aggressiva vätskor som syror och alkalier, vilket gör att de klarar miljöer som lätt skulle skada mindre robusta material. Dessutom möjliggör den låga värmeutvidgningskoefficienten och motståndskraften mot termisk chock snabba uppvärmnings- och nedkylningscykler.

Kiselkarbidens kombination av enastående egenskaper gör den till en viktig industriell keram för användning inom olika branscher och applikationer, inklusive mekaniska tätningar och pumpdelar på grund av dess enastående glidprestanda och smörjförmåga; utrustning för halvledarbearbetning på grund av dess exceptionella korrosionsbeständighet; elektriska komponenter som kraftresistorer och kondensatorer på grund av dess överlägsna värmeledningsförmåga; samt tillverkning av optiska linser för astronomiska teleskop på grund av låg termisk expansion och hög hållfasthet.