Kiselkarbid och betakiselkarbid

Kiselkarbid (SiC) är en hård kemisk förening som består av kisel och kol och som förekommer naturligt som det sällsynta mineralet moissanit och har massproducerats som pulver sedan 1893 för att användas som slipmedel.

Material med kubisk kristallstruktur har unika egenskaper som gör dem användbara i många branscher, bland annat elektrisk och termisk ledningsförmåga, låg termisk expansion och brett bandgap för elektronrörlighet.

Självskärpa

Kiselkarbid tål mycket friktion och tryck samt extrema temperaturer, vilket gör den idealisk för användning i högpresterande bromsar och slitdelar i bilar och andra maskiner för att förlänga deras livslängd. Dessutom finns kiselkarbid i slipskivor och lösa slipmedel för slipapplikationer samt i keramiska plattor i skottsäkra västar.

Kiselkarbidid finns i två polytyper, alfa (a-SiC) och beta (b-SiC). Båda polytyperna har många av samma grundläggande egenskaper, t.ex. elektrisk ledningsförmåga och termisk stabilitet; den största skillnaden ligger i deras respektive kristallstrukturer - där beta har kubiska mikrokristaller medan alfa har mer sfäriska sådana.

Alpha-materialets sfäriska mikrostruktur gör det mindre tätt än beta, vilket gör det idealiskt för användning i tätningsapplikationer eftersom dess formbarhet gör att det tätar bättre runt ytor. Alpha används ofta vid tillverkning av specialfilter och andra avancerade mekaniska skydd.

Betas densitet gör den väl lämpad för skärande och slipande applikationer, särskilt metallbearbetning. När det kombineras med aluminiumoxid eller zirkoniumoxid kan det skära metall mer effektivt än något annat material, vilket gör det till ett attraktivt alternativ för att skapa produkter som slipskivor, honingpinnar och lösa slipmedel samt slitstarka keramer och hårda ytor som hårda beläggningar eller slitstarka beläggningar.

Täthet

Kiselkarbid är ett extremt kompakt material, vilket gör det hårt och segt. Dessutom gör dess kemiska stabilitet att det lämpar sig för miljöer med höga temperaturer, vilket gör kiselkarbid användbart i många mekaniska applikationer.

På grund av sin hållfasthet och slitstyrka används karborundum ofta vid tillverkning av verktyg som borrar, skärverktyg, fräsar och skottsäkra västar. Dessutom gör dess keramiska egenskaper att det kan smältas samman via sintring för att bilda bilbromsar eller skottsäkra västar. Dessutom utgör det en viktig ingrediens i karborundumtryck - liknande djuptryck men annorlunda!

Beta-kiselkarbid föredras ofta framför alfa-kiselkarbid på grund av dess kompakta mikrokristallina struktur, vilket gör den bättre lämpad för ytbehandlingsapplikationer som slipning och polering. Dessutom innebär dess mer sfäriska form att den inte kan täta lika effektivt.

Beta finns naturligt som det sällsynta mineralet moissanit och framställs artificiellt som svart och grön kiselkarbid - den senare används till slipskivor på grund av sina slipande egenskaper. Medan kiselkarbid har mer kända användningsområden som slipskivor, har ädelstenar av moissanit många användningsområden, inklusive ersättning för korund (rubin) i klockor och konsumentelektronik på grund av dess lägre pris och större hållbarhet.

Elektrisk konduktivitet

Kiselkarbid (SiC) är ett spännande material med extraordinära egenskaper som hög hårdhet, kemisk stabilitet, hög permeabilitet och kontrollerbar termisk och elektrisk konduktivitet. Poröst SiC med kontrollerad elektrisk ledningsförmåga har rönt stort intresse för avancerade funktionella tillämpningar, men hittills har den elektriska ledningsförmågan hos nanotrådar av b-SiC inte utforskats grundligt.

Betakiselkarbid (b-SiC), till skillnad från dess motsvarighet i alfa-SiC (a-SiC) som har en hexagonal kristallstruktur liknande wurtzit, använder ett zinkblende-kristallsystem. Detta gör att b-SiC uppvisar andra egenskaper än a-SiC, bland annat lägre hårdhet och högre brottseghet samt bredare bandgap och ökad elektrondrifthastighet, vilket gör den lämplig för användning i vissa elektroniska applikationer.

Den elektriska ledningsförmågan hos b-SiC beror på bearbetningsförhållanden och porositet, där resistansen ofta beror på djup acceptorkoncentration; dess relativt låga resistivitet kan hänföras till denna faktor och den minskade N-dopningen. Sintring i N2 resulterar i lägre resistivitet än när det sintras i Ar, på grund av minskade fasomvandlingshastigheter och N-dopningseffekter.

Tack vare sin höga densitet och skärpeförmåga har b-SiC-pulver många användningsområden inom olika områden. Det kan användas som slipmaterial eller för skärning av metaller, keramik och glas och integreras i eldfasta produkter som elektriska värmeelement eller applikationer för trådsågning.

Sintringsbarhet

Kiselkarbid (b-SiC) är ett extremt hårt och tätt material som konkurrerar med diamant när det gäller hårdhet på Mohs-skalan. Dessutom har b-SiC exceptionell kemisk stabilitet, brett bandgap, elektronisk rörlighet och speciella temperaturbeständighetsegenskaper som gör det väl lämpat för olika tillämpningar, inklusive elektronik, informationsteknik precisionsbearbetning militär och flyg- och rymdindustrin högkvalitativa eldfasta material och speciella keramiska material från GNPGraystar.

Betakiseldioxid sticker ut bland industriella keramer eftersom den har en ovanlig kubisk kristallstruktur, vilket ger den dess karakteristiska egenskaper och gör den särskilt hård och hållbar. Sinterbara processer gör produktionen enkel för att tillgodose specifika industriers krav på en rad olika former och storlekar.

Konventionella kiselkarbidsintringsmetoder resulterar ofta i stor halstillväxt och förtätningsfel på grund av materialets låga diffusionskoefficienter. För att lösa dessa problem har man utvecklat olika tekniker som använder tillsatser för att öka densiteten och samtidigt minska halstillväxten.

I denna studie sintrades dock b-SiC framgångsrikt till full densitet utan användning av tillsatser, vilket gav fina partiklar med en genomsnittlig kornstorlek på 1,28 mikrometer. Detta resultat var betydelsefullt eftersom sintringen i sig spelar en viktig roll för mikrostrukturen. Forskarna tillskrev sin framgång till användningen av gnistplasmasintring (SPS), som har visat sig vara mer effektiv än traditionella flash SPS-metoder.